FR3133694A1 - Procédé d’analyse tomographique - Google Patents

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Abstract

Procédé d’analyse tomographique d’une pièce composite comprenant une matrice et des fibres noyées dans la matrice, le procédé comprenant les étapes suivantes : - acquisition d’au moins une image tomographique de la pièce au moyen d’un dispositif de tomographie, l’image tomographique comprenant une pluralité de plans (P1, …, PN) parallèles les uns aux autres et alignés selon une première direction, - obtention de données comprenant, pour chaque plan (P1, …, PN) des positions de centres de sections des fibres dans ledit plan, - reconstitution de fibres s’étendant sensiblement selon la première direction par association, pour chaque fibre d’un centre pris dans chaque plan (P1, …, PN), - reconstitution d’un tissage par association des fibres reconstituées et formation d’une image tridimensionnelle du tissage, et - observation de l’image tridimensionnelle du tissage et évaluation du tissage. Figure à publier avec l’abrégé : 5

Description

Procédé d’analyse tomographique Domaine technique de l’invention
L’invention concerne un procédé d’analyse tomographique d’une pièce mécanique. La pièce fait par exemple partie d’un aéronef, et plus précisément d’une turbomachine, comme une partie d’un carter de soufflante, une aube de soufflante, ou une partie d’une structure d’aubages fixes.
 Etat de la technique antérieure
Il est connu d’inspecter les pièces mécaniques structurelles par des méthodes de tomographie, par exemple radiographique ou acoustique, afin de détecter la présence d’éventuels défauts en surface et à l’intérieur de la pièce.
Ces méthodes sont fiables, non-invasives et permettent d’inspecter l’intérieur des pièces, ce qui permet de statuer rapidement sur l’état de la pièce et décider de sa potentielle remise en fonctionnement ou son remplacement.
Une mesure tomographique consiste en un balayage d’un objet observé, ici une pièce mécanique, au moyen d’un faisceaux d’ondes, et en une mesure du faisceau transmis dans toutes les directions afin de reconstituer une image tridimensionnelle de l’objet.
La illustre un dispositif de tomographie 1 pendant l’inspection d’une pièce mécanique 20.
Le dispositif de tomographie 1 comprend au moins un dispositif d’émission 3, configuré pour émettre un faisceau incident 5 d’impulsions d’ondes en direction de la pièce 20, par exemple des ondes radiofréquence, des rayons X ou encore des ondes acoustiques, et un moins un récepteur 7 aptes à capter un faisceau transmis 9 d’ondes, agencés de part et d’autre de la pièce 20.
La pièce 20 est généralement montée sur un support 11 rotatif autour d’un axe A, afin d’être observée sous toutes les directions pendant la mesure tomographique.
La pièce 20 observée par tomographie peut être constituée d’un matériau composite, tel que représenté en détail sur la , qui comprend plusieurs phases distinctes comprenant des matériaux différents.
Un tel matériau composite comprend par exemple des fibres de trames 21 et des fibres de chaines 22 tissées les unes avec les autres sur un plan de tissage P, ou plusieurs plans de tissage P superposés selon une direction d’épaisseur Z. Un tel tissage est désigné comme bidimensionnel. Ces fibres 21, 22 sont également désignées par le terme de torons, et ces deux termes sont utilisés indifféremment par la suite.
Les fibres du matériau composite peuvent, alternativement, suivre un tissage tridimensionnel, avec des fibres s’étendant selon trois directions distinctes.
Les fibres 21 et 22 peuvent être des fibres de carbone, de verre, en polymère synthétique (par exemple de type kevlar), ou un mélange de plusieurs types de fibres. Elles sont noyées dans une matrice 23 comprenant par exemple un ou plusieurs polymères et/ou résines, qui se solidifient pour former la pièce 20 définitive.
Les amplitudes des ondes transmises sous les différents angles d’observations sont traduites en niveaux de gris dans un dispositif de traitement 13, et une analyse numérique permet de reconstituer le volume de la pièce 20. Le dispositif de traitement 13 comprend un ordinateur.
Les niveaux de gris obtenus dépendent entre autres de la densité des matériaux traversés, et varient donc entre les différentes phases du matériau composite.
L’analyse par tomographie permet alors d’obtenir un visuel sur l’extérieur et l’intérieur de la pièce. Ce type de contrôle présente l’avantage majeur de permettre la visualisation dans l’épaisseur du matériau et de la pièce étudiée, tout en étant non-destructif et fiable.
Un opérateur humain peut alors évaluer la qualité de la pièce, en identifiant les différentes phases de la pièce et en étudiant le schéma de tissage, afin de détecter la présence éventuelle d’une anomalie ou d’un dégât.
En effet, beaucoup de propriétés mécaniques de la pièce définitive dépendent de la bonne tenue des fibres tissées, qui peut être évaluée par plusieurs indicateurs. On peut notamment citer le ratio chaine / trame et le taux volumique de fibre. Ces paramètres peuvent aussi varier au sein même du tissage avec des torons de tailles différentes ou autres.
Dans ce qui suit, les termes « non-conformité », « anomalie », « dégât », « endommagement » ou équivalents sont utilisés indifféremment pour désigner une partie de la pièce où les propriétés maniques de la pièce sont localement dégradées par rapport à celles d’une pièce en bon état.
Il peut également s’agir de la présence d’un corps étranger dans le matériau, comme un vide (porosité) ou un matériau arrivé par erreur dans la pièce lors de sa mise en forme. Une telle anomalie peut justifier un retrait et un remplacement de la pièce lorsque sa tenue mécanique est compromise, ou, selon les cas, peut ne pas s’opposer au bon fonctionnement de la pièce.
Dans le cas d’un matériau composite, il peut également s’agir d’une zone où les fibres 21, 22 sont distendues ou rompues.
Il est important de noter que l’analyse de l’image de tomographie est toujours laissée actuellement à l’opérateur humain, qui doit séparer les fibres et la matrice et étudier le tissage manuellement. Cette étape génère un délai important car l’image tomographique est complexe et étendue, ce qui rend son inspection fastidieuse.
La reconstitution du schéma de tissage sur le volume de la pièce doit également être effectuée manuellement à partir des données fournies par l’analyse visuelle de différentes coupes de la tomographie, ce qui nécessite également un temps important pour un opérateur qualifié.
 Présentation de l’invention
L’invention vise à remédier à ces inconvénients, en proposant une méthode d’analyse permettant la reconstitution du tissage du matériau de manière automatique et fiable.
A cet effet, l’invention a pour objet un procédé d’analyse tomographique d’une pièce composite comprenant une matrice et des fibres noyées dans la matrice, le procédé comprenant les étapes suivantes :
- acquisition d’au moins une image tomographique de la pièce au moyen d’un dispositif de tomographie, l’image tomographique comprenant une pluralité de plans parallèles les uns aux autres et alignés selon une première direction,
- obtention de données comprenant, pour chaque plan des positions de centres de sections des fibres dans ledit plan,
- reconstitution de fibres s’étendant sensiblement selon la première direction par association, pour chaque fibre d’un centre pris dans chaque plan,
- reconstitution d’un tissage par association des fibres reconstituée et formation d’une image tridimensionnelle du tissage, et
- observation de l’image tridimensionnelle du tissage et évaluation du tissage.
Un tel procédé permet une reconstitution automatique des fibres et un affichage du tissage pour une évaluation simplifiée de sa qualité et des propriétés mécaniques conférées à la pièce.
La première direction s’étend par exemple selon le sens de trame de la pièce composite.
L’image tomographique peut comprendre une pluralité de deuxièmes plans parallèles les uns aux autres et alignés selon une deuxième direction, les données comprenant, pour chaque deuxième plan des positions de centres de sections des fibres dans ledit deuxième plan.
Le procédé peut comprendre une étape de reconstitution de fibres s’étendant sensiblement selon la deuxième direction par association, pour chaque fibre d’un centre pris dans chaque deuxième plan.
Ces caractéristiques permettent l’analyse des fibres s’étendant selon une deuxième direction caractéristique de la pièce, par exemple dans le sens de chaine de la pièce composite.
Les données peuvent comprendre, pour chaque plan, des dimensions des sections des fibres dans ledit plan, des orientations des sections des fibres dans ledit plan, des taux de polymérisation des fibres dans ledit plan et/ou des taux d’imprégnations des fibres dans ledit plan.
De telles données permettent de faciliter l’étape de reconstitution en fournissant des points de comparaison supplémentaires entre les sections des fibres dans les différents plans.
Les données peuvent également comprendre, pour chaque deuxième plan, des dimensions des sections des fibres dans ledit deuxième plan, des orientations des sections des fibres dans ledit deuxième plan, des taux de polymérisation des fibres dans ledit deuxième plan et/ou des taux d’imprégnations des fibres dans ledit deuxième plan.
L’étape de reconstitution des fibres peut être mise en œuvre plan par plan et fibre par fibre en associant à chaque centre d’un des plans le centre le plus proche dans le plan suivant.
Une telle méthode permet une reconstitution rapide et efficace des fibres.
L’étape de reconstitution peut aussi prendre en compte des données comprenant des dimensions des sections des fibres, des orientations des sections des fibres, des taux de polymérisation des fibres et/ou des taux d’imprégnations des fibres.
L’étape de reconstitution des fibres peut être mise en œuvre globalement sur l’ensemble des fibres et l’ensemble des plans, et emploie un algorithme d’optimisation.
Une telle caractéristique permet une approche globale dans la reconstitution des fibres et fournit des résultats plus fiables.
L’algorithme d’optimisation peut être choisi parmi des algorithmes classiques comme un algorithme de Gauss-Newton, un algorithme de Levenberg-Marcquard ou encore une optimisation au sens des moindres carrés. Il peut également être choisi parmi des méthodes d’optimisations statistiques comme un recuit simulé, un algorithme génétique ou encore une optimisation topologique.
Le procédé peut comprendre une étape d’affichage de valeurs locales d’au moins une propriété des fibres sur l’image tridimensionnelle du tissage, les valeurs locales étant tirées des données.
Une telle caractéristique permet de fournir des éléments visuels pour l’évaluation du tissage, ce qui en facilite l’analyse.
L’étape d’observation peut comprendre une comparaison de l’image tridimensionnelle avec au moins une image de référence tirée d’une base de données.
Cette caractéristique permet d’affiner les résultats obtenus à partir de résultats précédents et d’accélérer la détection d’anomalies ou la confirmation de l’état sain de la pièce.
La pièce peut être une pièce de carter de turbomachine, ou une aube de rotor de compresseur, de stator ou de soufflante d’une turbomachine.
L’invention concerne également un produit programme d’ordinateur comprenant des instructions permettant, lorsqu’il est exécuté sur un ordinateur, la mise en œuvre du procédé comme plus haut.
 Brève description des figures
la est une vue schématique de côté d’un dispositif de tomographie au cours de la mise en œuvre d’un procédé selon l’invention,
la est une vue schématique de détail d’une pièce en matériau composite tissé,
la est une vue schématique de plans d’obtention de données dans une image tomographique,
la est une vue de face d’un des plans de la montrant les sections des fibres,
la est une vue schématique d’une étape de reconstitution des fibres du procédé selon l’invention, et
la est une vue schématique d’une étape d’affichage visuel d’un tissage reconstitué du procédé selon l’invention.
 Description détaillée de l’invention
Un procédé d’analyse tomographique selon l’invention va maintenant être décrit. Ce procédé met en œuvre le dispositif d’analyse 1 décrit précédemment en rapport avec la , pour observer une pièce 20.
La pièce 20 est par exemple réalisée par exemple en matériau composite, telle que représentée sur la .
Le matériau composite comprend des fibres de trames 21 s’étendant selon une direction de trame X et des fibres de chaînes 22 s’étendant selon une direction de chaîne Y, noyées dans une matrice 23. L’écart moyen entre deux fibres de trame 21 ou de chaîne 22 voisines est de l’ordre de 2 mm.
Une épaisseur de la pièce 20, mesurée selon une direction d’épaisseur Z, est par exemple compris entre 5 et 25 mm, notamment proche de 10 mm pour une pièce 20 comprenant quatre à huit plans de plans de tissage superposés.
Les fibres de trames 21 et chaînes 22 peuvent être de matériaux identiques ou différents (verre, carbone ou kevlar).
La matrice 23 comprend par exemple au moins un polymère organique, au moins une résine, au moins une céramique et/ou au moins un métal.
Tout type de matériau envisageable par l’homme du métier, ainsi que les combinaisons desdits matériaux, peuvent composer la matrice 23.
Les matériaux composites tissés peuvent être considérés comme des matériaux orthotropes, c’est-à-dire de matériaux possédant trois plans de symétrie au niveau de leur microstructure interne.
Alternativement, le matériau composite peut comprendre des fibres de trame 21 et de chaîne 22, ainsi que des fibres s’étendant selon la direction d’épaisseur Z, formant ainsi un tissage tridimensionnel.
Le procédé selon l’invention comprend une première étape d’acquisition d’au moins une image tridimensionnelle de la pièce 20, au moyen du dispositif de tomographie 1.
Un faisceau incident 5 d’impulsions d’ondes est émis par le dispositif d’émission 3, en direction de la pièce 20. Le faisceau incident 5 est par exemple un faisceau d’ondes radiofréquences.
Les ondes traversent la pièce 20, et un faisceau transmis 9 issu de la pièce 20 est capté par le récepteur 7. La distribution d’intensité du faisceau transmis 9 obtenue est convertie en une image bidimensionnelle en niveaux de gris de la pièce 20 par le dispositif de traitement 13.
La pièce 20 est mise en rotation au moyen du support 11, et des images bidimensionnelles de la pièce 20 sont acquise sous toutes les directions.
Une image tridimensionnelle 30, représentée sur la , de la pièce 20 en niveaux de gris, ou image tomographique, est alors reconstituée par traitement d’image au moyen du dispositif de traitement 13, l’image comprenant une pluralité de voxels présentant chacun un niveau de gris respectif.
L’étape d’acquisition comprend ensuite la préparation d’une pluralité de plans P1, …, PN dans l’image tomographique 30, lesdits plans P1, …, PN étant parallèles entre eux et alignés selon une des directions caractéristiques de la pièce 20, par exemple la direction de trame X.
Un grand nombre de plans P1, …, PN sont typiquement préparés, qui dépend des dimensions exactes de l’image 30. Les plans sont par exemple séparés d’une distance de l’ordre de 5 à 10 micromètres.
La représente une image plane réalisée dans l’un des plans P1, …, PN, montrant des sections de fibres 21 sensiblement elliptiques, lesdites fibres 21 s’étendant dans la pièce 20 sensiblement selon la direction de trame X.
Avantageusement, une pluralité de deuxièmes plans sont également réalisés dans l’image tomographique 30 lesdits deuxièmes plans étant parallèles entre eux et alignés selon une des directions caractéristiques de la pièce 20, par exemple la direction de chaine Y.
Le procédé comprend ensuite une étape d’obtention de données, lesdites données comprenant au moins, pour chaque plan P1, …, PN des positions de centres de sections des fibres 21 dans ledit plan.
Les données peuvent être obtenues manuellement ou par un procédé automatique, à partir des images dans les plans P1, …, PN, et, le cas échéant, des images dans les deuxièmes plans.
Avantageusement, les données comprennent également des dimensions des sections des fibres 21 dans chaque plan P1, …, PN, des orientations des sections des fibres dans chaque plan P1, …, PN, des taux de polymérisation des fibres dans chaque plan P1, …, PN et/ou des taux d’imprégnations des fibres dans chaque plan P1, …, PN.
Avantageusement, les données concernent également les fibres 22 s’étendant selon la direction de chaine Y, obtenues dans les deuxièmes plans.
Le procédé comprend ensuite une étape de reconstitution des fibres 21 par association, pour chaque fibre 21 d’un centre pris dans chacun des plans P1, …, PN.
Selon un premier exemple de réalisation, représenté sur la , la reconstitution est faite fibre par fibre et plan par plan, en associant successivement les centres un à un.
Dans l’exemple représenté, le passage d’un plan Pià un plan Pi+1est fait en associant à chaque centre Ci 1, Ci 2, Ci 3du plan Pile centre Ci+1 1, Ci+1 2, Ci+1 3le plus proche dans le plan Pi+1.
A distance employée ici est mesurée entre les centres dans le plan Piet les centres dans le plan Pi+1projetés sur le plan Pi.
Alternativement, une fonction plus complexe équivalent à une distance peut être employée, prenant en compte l’orientation des fibres, les dimensions des sections, le taux de polymérisation des fibres et/ou le taux d’imprégnation des fibres, lorsque ces données sont disponibles.
Selon un deuxième mode de réalisation, l’association des centres des sections de fibres 21 est faite de manière globale sur l’ensemble des fibres 21 et l’ensemble des plans P1, …, PN, et emploie un algorithme d’optimisation.
L’algorithme d’optimisation peut être choisi parmi des algorithmes classiques comme un algorithme de Gauss-Newton, un algorithme de Levenberg-Marcquard ou encore une optimisation au sens des moindres carrés. Il peut également être choisi parmi des méthodes d’optimisations statistiques comme un recuit simulé, un algorithme génétique ou encore une optimisation topologique.
Une telle approche permet des résultats plus fiables mais est plus couteuse en temps de calcul.
Pour une telle étape de reconstitution, il est nécessaire de générer une fonctionnelle mathématique basée sur des nuages de points des centres des fibres. Celle-ci est calculée à partir de la distance entre les centres des fibres entre eux tout en ayant une direction privilégiée (par exemple la direction de trame X). Cette fonctionnelle est alors estimée à partir de listes de k-points correspondants aux k-images de support de l’analyse. L’optimisation est alors réalisée en faisant varier ces k-uplets jusqu’à convergence de l’algorithme (tel que préconisé par l’état de l’art). On obtient alors une fonctionnelle minimisée et une liste de fibres reconstituées. Chaque fibre 21 est alors constituée de N point, un pour chaque plan P1, …, PN.
Le cas échéant, une étape de reconstitution similaire peut être mise en œuvre pour les fibres s’étendant selon la direction de chaîne Y, se basant sur les deuxièmes plans.
Le procédé comprend ensuite une étape de reconstitution d’un tissage par association des fibres reconstituée et de formation d’une image tridimensionnelle 40 du tissage.
L’étape de reconstitution permet de fournir un visuel du tissage des fibres sur l’ensemble du volume tomographique. Plusieurs représentations peuvent être envisagées. La plus simple est une représentation des fibres comme des lignes courbes. Chaque point présenté est alors un des centres composant la fibre reconstituée, relié avec tous les centre du volume de tomographie. Une telle image tridimensionnelle 40 du tissage est représentée sur la , montrant les fibres de trame 21 et la matrice 23.
Une visualisation plus complexe peut être obtenue en présentant les fibres sous une forme de cylindre elliptique d’orientation variable, avec des valeurs locales des dimensions et orientations des sections qui varient le long de la fibre 21.
Une telle modélisation est plus complexe et moins lisible, mais fournit un plus grand nombre d’informations.
Un autre exemple de visualisation intermédiaire peut être de représenter les fibres 21 sous forme de ligne, et de représenter un autre paramètre en faisant varier la couleur de la ligne le long de la fibre 21, en fonction des valeurs locales de ce paramètre.
Le paramètre représenté peut être choisi parmi une orientation de la section, une dimension de la section, un taux de polymérisation ou un taux d’imprégnation de la fibre, ou tout autre paramètre local issu des données.
Le procédé comprend enfin une étape d’observation de l’image tridimensionnelle du tissage et d’évaluation du tissage, à partir, le cas échéant, des paramètres représentés. L’observation peut être faite à la fois fibre par fibre, ou bien globalement, sur l’ensemble du tissage représenté.
Cette étape permet d’analyser l’état de la pièce, d’évaluer les propriétés mécaniques conférées par le tissage et, selon les cas, de diagnostiquer une remise en fonction ou un remplacement de la pièce 20.

Claims (10)

  1. Procédé d’analyse tomographique d’une pièce (20) composite comprenant une matrice (23) et des fibres (21, 22) noyées dans la matrice (23), le procédé comprenant les étapes suivantes :
    - acquisition d’au moins une image tomographique (30) de la pièce (20) au moyen d’un dispositif de tomographie (1), l’image tomographique (30) comprenant une pluralité de plans (P1, …, PN) parallèles les uns aux autres et alignés selon une première direction (X),
    - obtention de données comprenant, pour chaque plan (P1, …, PN) des positions de centres de sections des fibres (21) dans ledit plan,
    - reconstitution de fibres (21) s’étendant sensiblement selon la première direction (X) par association, pour chaque fibre (21) d’un centre pris dans chaque plan (P1, …, PN),
    - reconstitution d’un tissage par association des fibres (21) reconstituées et formation d’une image tridimensionnelle (40) du tissage, et
    - observation de l’image tridimensionnelle (40) du tissage et évaluation du tissage.
  2. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel l’image tomographique (30) comprend une pluralité de deuxièmes plans parallèles les uns aux autres et alignés selon une deuxième direction (Y), les données comprenant, pour chaque deuxième plan des positions de centres de sections des fibres (22) dans ledit deuxième plan.
  3. Procédé selon la revendication précédente, comprenant une étape de reconstitution de fibres (22) s’étendant sensiblement selon la deuxième direction par association, pour chaque fibre d’un centre pris dans chaque deuxième plan.
  4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les données comprennent, pour chaque plan (P1, …, PN), des dimensions des sections des fibres (21) dans ledit plan (P1, …, PN), des orientations des sections des fibres (21) dans ledit plan (P1, …, PN), des taux de polymérisation des fibres (21) dans ledit plan (P1, …, PN) et/ou des taux d’imprégnations des fibres (21) dans ledit plan (P1, …, PN).
  5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’étape de reconstitution des fibres (21) est mise en œuvre plan (P1, …, PN) par plan (P1, …, PN) et fibre (21) par fibre (21) en associant à chaque centre d’un des plans (P1, …, PN) le centre le plus proche dans le plan (P1, …, PN) suivant.
  6. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’étape de reconstitution des fibres (21) est mise en œuvre globalement sur l’ensemble des fibres (21) et l’ensemble des plans (P1, …, PN), et emploie un algorithme d’optimisation.
  7. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le procédé comprend une étape d’affichage de valeurs locales d’au moins une propriété des fibres (21) sur l’image tridimensionnelle (40) du tissage, les valeurs locales étant tirées des données.
  8. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’étape d’observation comprend une comparaison de l’image tridimensionnelle (40) avec au moins une image de référence tirée d’une base de données.
  9. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la pièce (20) est une pièce de carter de turbomachine, ou une aube de rotor de compresseur, de stator ou de soufflante d’une turbomachine.
  10. Produit programme d’ordinateur comprenant des instructions permettant, lorsqu’il est exécuté sur un ordinateur, la mise en œuvre du procédé selon l’une des revendications précédentes.
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