WO2018104683A1 - Procédé et dispositif de détermination des orientations d'éléments de fibres dans une pièce en matériau composite - Google Patents

Procédé et dispositif de détermination des orientations d'éléments de fibres dans une pièce en matériau composite Download PDF

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WO2018104683A1
WO2018104683A1 PCT/FR2017/053459 FR2017053459W WO2018104683A1 WO 2018104683 A1 WO2018104683 A1 WO 2018104683A1 FR 2017053459 W FR2017053459 W FR 2017053459W WO 2018104683 A1 WO2018104683 A1 WO 2018104683A1
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fiber
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Safran SA
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Definitions

  • the invention relates to the general field of composite materials.
  • the resin of the composite material can be thermosetting or thermoplastic.
  • Such composite materials are particularly well suited for producing parts with a complex geometry (comprising, for example, ribs or bosses), as used in particular in the aeronautical industry or in many other mechanical industries.
  • a complex geometry comprising, for example, ribs or bosses
  • These parts are made in known manner from preforms cut from a sheet of material formed from the entangled fiber chips, then assembled in a mold and subjected to a heat-compression cycle. The chips can also be injected hot in the mold.
  • the present invention meets this need in particular by proposing a method for determining the orientations of assembled fiber elements in a part made of composite material, these fiber elements having an initial shape characterized by a length, a width and a thickness, the process comprising:
  • the invention also relates to a device for determining the orientations of fiber elements assembled in a part made of composite material, these fiber elements having an initial shape characterized by a length, a width and a thickness, this device comprising:
  • a obtaining module able to obtain an image of the part, each pixel of the image representing a density of material at a point of the part represented on the image by this pixel;
  • An extraction module configured to extract from the image, for at least one fiber element of the part, a line representative of this fiber element over all or part of its length in the part;
  • An expansion module configured to extend in width each line extracted from the image into a plurality of so-called reference points of said line, according to the width of the fiber element whose line is representative, said extension resulting for each reference point at a plurality of so-called extended points associated with this reference point;
  • An association module configured to associate with each extended point associated with a reference point of a line extracted from the image, an orientation parallel to a direction of the line at this reference point;
  • An evaluation module configured to evaluate for a plurality of extended points, an average orientation of the fiber elements at these points from the orientations associated with these extended points;
  • a determination module configured to determine for a plurality of orientations of the fiber elements, a proportion of fiber elements having these orientations from the average orientations thus evaluated.
  • the present invention therefore proposes to characterize the microstructure of a part made of composite material by determining the orientation of the fiber elements (eg chips or chips, or more generally fiber elements having for example an initial parallelepiped shape characterized by a length, a width and a thickness) which are entangled randomly in the material, and the proportion entangled elements in the same orientation.
  • the orientation of the fiber elements of the composite material is indeed a microstructural parameter which, in known manner, has a significant impact on the mechanical properties of the composite material.
  • this orientation is determined for a real mechanical part, such as for example an aeronautical part, from an image representing this part.
  • an image is for example a three-dimensional tomographic image or a two-dimensional radiographic image on which each pixel (also called "voxel" for the case of three-dimensional images) represents the density of material at a point in the corresponding part. at this pixel.
  • This type of image has the advantage of providing fairly fine information and directly exploitable on the inside of the room. It thus makes it possible to extract information on the orientation of the chips within the part by means of a simple treatment proposed by the invention.
  • This simple treatment initially includes a
  • the extension is limited to an extension in width of the line at the plurality of reference points in accordance with the width of the fiber element whose line is representative.
  • the extension includes a width extension of the line at the plurality of reference points in accordance with the width of the fiber element whose line is representative , and a thickness extension of the line to the plurality of reference points in accordance with the thickness of the fiber element whose line is representative.
  • the extension step implemented in the invention makes it possible to artificially recreate the geometry of the fiber chips in the (sub) volume or (sub) -surface defined by the box and to associate them in several points. said extended an orientation. It is therefore sufficient to estimate the proportion of fiber chips in each direction of space to know the spatial distribution of the fiber chips locally in the sub-volume, this knowledge can then be extended to the whole of the room. considering other sub-volumes or sub-surfaces of the part.
  • Knowing the orientation of the chips in the part can advantageously provide power to a digital model modeling the microstructure of this part, such as for example a digital model similar to that described in WO 2015/185840.
  • a digital model fed with real data extracted from the part itself (rather than with a mean statistic) realistically represents the part and advantageously makes it possible to reliably predict the mechanical properties (eg rigidity, fracture properties , etc.) of the room at any point of it.
  • the actual part can be validated by non-destructive testing instead of requiring mechanical part testing as is the case today.
  • non-destructive testing means a set of methods that make it possible to characterize the state of integrity and / or the quality of structures (parts) or materials without degrading them.
  • Non-destructive testing has a preferred but non-limiting application in the field of aeronautics, and more generally in any field in which the structures whose state or quality are to be characterized are expensive and / or their reliability. operation is critical. Non-destructive testing can be advantageously performed on the part considered both during manufacture and during use or maintenance.
  • the invention therefore applies in a preferred but non-limiting manner to aeronautical parts, and more particularly to aeronautical parts made of composite materials of the DLF (or DFC) type. It can also be applied to other types of composite materials such as for example materials BMC (for Bulk Molding Compound in English) or SMS (for Sheed Molding Compound in English).
  • the invention also offers the possibility, by determining the orientations of the fiber chips in the workpiece, to easily control the variability in the distribution of chips that may exist from one room to another, and / or with respect to so-called nominal (ie reference) orientations.
  • This variability is due in particular to the manufacturing process of the part: in fact, from one part to another, the chips are individually positioned non-deterministically so that small variations in chip distribution (at the level of the orientation or even entanglement) can be observed. Knowing the orientations of fiber chips in a given part makes it possible to compare them with nominal orientations set during the design of the part.
  • the invention makes it possible to check and easily ascertain the repeatability of the parts manufacturing process, by ensuring, thanks to the orientations of the fiber chips determined by means of the invention, that each of the pieces has a distribution. Similar of these fiber chips (considering of course a given tolerance threshold). This ensures that each of the parts from the manufacturing process considered retains performance close to predetermined nominal performance.
  • All or some of the fiber elements assembled in the room bear markers (or markers) along the length of the fiber elements;
  • the extraction step comprises a thresholding of the image carried out by means of a threshold defined from a material density of the markers, this thresholding resulting in an image representing the markers;
  • the lines are extracted from the markers represented on the image resulting from the thresholding.
  • This embodiment facilitates the extraction of the representative lines of the fiber chips, the latter directly based on the markers present on certain fiber chips. Note that not all fiber chips need to carry such markers.
  • the reliability of the determined orientations depends in this embodiment of the amount of markers present in the room and their distribution in the room. The more the markers are uniformly distributed and / or numerous in the room, the better the reliability of the orientations estimated by the invention.
  • the extraction step comprises the determination of the boundaries of each fiber element of the part, the lines representative of the fiber elements. being extracted from the boundaries thus determined.
  • At least the extension and association steps are implemented using a sliding box defining a sub-volume or a subsurface of predefined dimensions, moved over all or part of the room.
  • a sliding box allows, as mentioned above, to go through the entire room, and estimate the orientations of the fiber elements on the entire room.
  • the dimensions of the box in question and the sub-volume or sub-area defined by this box, its shape (eg parallelepiped or rectangular), as well as the overlaps between two displacements of the sliding box on the part, depend on several factors.
  • the definition of a sub-volume or a subsurface too small risk of not being able to observe a sufficiently representative sample of the material whereas too much sub-volume or subsurface may not be able to identify areas of anisotropy .
  • orientations of the fiber elements and the proportions of fiber elements having these average orientations are stored in an orientation tensor.
  • orientation tensor relies, in a known manner, on a matrix with three rows and three columns, the eigenvectors of which represent the principal directions of orientation of the fiber elements in the room while the eigenvalues define the proportion fiber elements of the room in these directions.
  • This orientation tensor allows a graphical representation of the orientations of the fiber elements of the workpiece by means of three-dimensional ellipsoids or two-dimensional ellipses whose axis directions are defined by the eigenvectors of the tensor, while the eigenvalues define their lengths.
  • the various steps of the determination method are determined by computer program instructions.
  • the invention also relates to a computer program on an information medium, this program being capable of being implemented in a determination device or more generally in a computer, this program comprising instructions adapted to the implementing the steps of a determination method as described above.
  • This program can use any programming language, and be in the form of source code, object code, or intermediate code between source code and object code, such as in a partially compiled form, or in any other form desirable shape.
  • the invention also relates to a computer-readable information medium, comprising instructions of a computer program as mentioned above.
  • the information carrier may be any entity or device capable of storing the program.
  • the medium may comprise storage means, such as a ROM, for example a CD ROM or a microelectronic circuit ROM, or a magnetic recording means, for example a hard disk.
  • the information medium may be a transmissible medium such as an electrical or optical signal, which may be conveyed via an electrical or optical cable, by radio or by other means.
  • the program according to the invention can be downloaded in particular on an Internet type network.
  • the information carrier may be an integrated circuit in which the program is incorporated, the circuit being adapted to execute or to be used in the execution of the method in question.
  • the invention also aims, in another aspect, a non-destructive testing method applied to a composite material part, this composite material comprising an assembly of fiber elements, this control method comprising:
  • a non-destructive testing step performed on the part using the orientations thus determined.
  • the invention also aims at a non-destructive control system intended to be used to control a piece of composite material, this composite material comprising an assembly of fiber elements, this control system comprising:
  • a digital imaging system configured to acquire an image of the part, each pixel of the image representing a density of material at a point of the part represented on the image by this pixel;
  • a piece control device configured to use the orientations thus determined.
  • the piece is an aeronautical piece.
  • the method and the control system have the same advantages, mentioned above, as the method and the determination device according to the invention.
  • FIG. 1 shows a non-destructive control system according to the invention, in a particular embodiment
  • FIG. 2 represents the hardware architecture of a determination device according to the invention belonging to the non-destructive control system of FIG. 1;
  • FIG. 3 illustrates the main steps of a determination method according to the invention in a particular embodiment in which it is implemented by the determination device of FIG. 2;
  • FIGS. 4A-4E illustrate various processes and images used by the determination device of FIG. 2, in a particular embodiment
  • FIGS. 5A-5D illustrate various processes implemented by the determination device of FIG. 2, in a particular embodiment.
  • FIG. 6 represents the main steps of a non-destructive testing method according to the invention in a particular embodiment in which it is implemented by the system of FIG. 1. Detailed description of the invention
  • FIG. 1 represents, in its environment, a non-destructive testing system 1 (or CND system 1), intended to be used for controlling a composite material part.
  • CND system 1 non-destructive testing system 1
  • this part is an aeronautical part 2, such as for example a blade of a turbomachine, made of composite material.
  • aeronautical part 2 such as for example a blade of a turbomachine, made of composite material.
  • no limitation is attached to the nature of the part in question on which non-destructive testing is intended to be carried out using the CND 1 system. It may be any other type of aeronautical component or, more generally, any another type of mechanical parts which one wishes to control for example the conformity.
  • the aeronautical part 2 is made of a composite material of the DFC type, that is to say, long staple fiber (or DLF), made from “chips” or chips of randomly entangled fibers and pre-impregnated a thermosetting resin (matrix).
  • the chips are, for example, carbon fiber impregnated carbon fiber chips, which have an initial shape (ie before deformation by the manufacturing method of the part, for example in the mold) substantially parallelepipedic defined by a length L, a width I and a thickness e.
  • the length L of the chips varies between 10 and 50 mm
  • the width I is about 10 mm
  • the thickness of the chips is about 0.15 mm.
  • the preceding values are given for illustrative purposes only.
  • the invention applies to other composite materials consisting of fiber elements pre-impregnated with a resin, such as for example materials consisting of glass fiber chips impregnated with a polymer resin, or any other composite composed of chips or pre-impregnated strands arranged in a random or quasi-random manner in a cavity.
  • the invention also applies to fiber elements having a different initial shape than a shape parallelepipedic and can be characterized by a length L, a width I and a thickness e.
  • the CND system 1 relies, for non-destructive testing on the aeronautical part 2, on a determination of the orientations of the entangled chips in the part.
  • each entangled chip in the aeronautical part 2 carries a marker or a tracer extending over the entire length of the chip.
  • a marker is for example a fiberglass yarn or strand, appearing in "color" different from the color of the carbon fiber chips used to constitute the composite material (or having a different absorption level), and inserted on the chip in a manner known per se.
  • Patent application WO 2016028349 describes an example of insertion and use of such markers in a piece of composite material.
  • the entangled chips in aeronautical part 2 carry such markers.
  • the invention can however be implemented with a lower concentration of markers; It will therefore be possible to match the orientations determined in accordance with the invention with a confidence index reflecting the proportion of markers present in the piece as well as their distribution.
  • the CND system 1 in order to perform a non-destructive test on the aeronautical part 2, the CND system 1 comprises:
  • a digital imaging system 3 configured to acquire an image of the part.
  • the digital imaging system 3 is a tomographic system capable of providing a three-dimensional tomographic IM image of the aeronautical part 2, each three-dimensional pixel of the IM image (also commonly denoted by "voxel” for "volumetric pixel") representing a density of material at a point in the aeronautical part 2 by that pixel; - A device 4 for determining the directions of the chips of the part 2, according to the invention, and able to use for this purpose the IM image acquired by the digital imaging system 3; and
  • a device 5 for controlling the aeronautical part 2 configured to use the orientations determined by the device 4 to carry out non-destructive testing on the aeronautical part 2.
  • This non-destructive inspection may consist, for example, in verifying the conformity of the part aeronautical 2 with respect to a predetermined standard, in particular for certification of the aeronautical part 2, or in the prediction of mechanical performance of the aeronautical part 2, etc. Examples of non-destructive tests that can be implemented by the control device 5 from the orientations determined by the device 4 according to the invention are detailed later.
  • the device 4 for determining the orientation of the chips of the part 2 is a computer whose hardware architecture is illustrated schematically in FIG.
  • a processor 6 comprises in particular a processor 6, memories 7-9 (for example, a read-only memory and / or a hard disk 7, a random access memory 8 and a non-volatile memory 9), and communication means 10.
  • These communication means 10 include in particular one or more communication interfaces (eg Universal Serial Bus (USB) port, network card, etc.) enabling it to communicate with the digital imaging system 3 or with an operator to obtain the digital communication system. tomographic IM image of the aeronautical part 2 acquired by the digital imaging system 3, and on the other hand, with the control device 5, to transmit to it the orientations of the chips that it has determined from the image IM according to the invention.
  • USB Universal Serial Bus
  • the read-only memory and / or the hard disk 7 constitutes a recording medium readable by the processor 6 of the determination device 4 and on which is recorded a computer program according to the invention, comprising instructions for executing the instructions. steps of a method for determining orientations according to the invention, the steps of this method being described later with reference to FIG. 3, in a particular embodiment.
  • This computer program equivalently defines functional modules of the determination device 4 (these functional modules being software modules here), able to control and / or use the hardware means 7-10 of the aforementioned determination device 4.
  • These functional modules include in particular in the embodiment described here:
  • An extraction module 4B configured to extract from the IM image, for at least one chip of the coin, a line representative of this chip over all or part of its length in the coin;
  • An extension module 4C configured to extend, in width and thickness here, each line extracted from the image at several so-called reference points of the line, so as to somehow numerically reconstitute the chip whose line is representative;
  • An association module 4D configured to associate with each said extended point resulting from the extension of the lines extracted from the image an orientation of the chip at this point;
  • An evaluation module 4E configured to evaluate for a plurality of extended points, an average orientation of the chips at these extended points;
  • a determination module 4F configured to determine for a plurality of average orientations thus evaluated, a proportion of extended points having this average orientation.
  • FIG. 3 represents in the form of a flow chart the main steps of the determination method according to the invention, in a particular embodiment in which it is implemented by the device 4 for determining FIG. 1 from an image 3D IM tomography of the aeronautical part 2 acquired by the digital imaging system 3.
  • the acquisition of a tomographic image of an aeronautical part by means of a digital imaging system is known per se and is not described in detail here.
  • the tomographic IM image of the aeronautical part 2 acquired by the digital imaging system 3 is obtained by the determination device 4, and more particularly by its obtaining module 4A (step E10). It is provided for example by the digital imaging system 3 to the determination device 4 via a telecommunications network or by an operator, for example via the communication means 10 of the determination device 4.
  • the three-dimensional IM tomographic image of the aeronautical part 2 provides a measurement of the density of material at each point of the aeronautical part 2. More particularly, the image IM 2 being a grayscale-encoded digital image comprising a plurality of voxels (points / pixels in 3 dimensions), each voxel of the image IM represents via a gray level which is associated with it the density of material at the point of the part represented by this voxel.
  • FIGS. 4A and 4B respectively represent, by way of illustration, a turbomachine blade (aeronautical part 2 within the meaning of the invention), and a tomographic IM image of this part.
  • the tomographic image IM is then processed by the estimation device 4 to establish a mapping of microstructural parameters of the aeronautical part 2, and more precisely here, preferential orientations of the chips of the part 2.
  • the entangled chips in the aeronautical part 2 are marked with tracers, which follow the orientation of the chips over their entire length.
  • tracers which are here fiberglass, in other words, in a material denser than the carbon fiber constituting the chips, are used by the device 4 for determining a threshold of the IM image. They are indeed easily discernible (the. Detectable) on the IM image because of their higher density than that of the chips.
  • the extraction module 4B of the determination device 4 performs a thresholding on the gray levels of the IM image by means of a threshold THR defined from the density of the material (ie fiberglass here ) constituting the tracers on the chips (eg THR is taken as the density of the fiberglass) (step E20).
  • a threshold on a grayscale image is an operation known in itself, not detailed here.
  • the image thresholding consists in replacing one by one the gray levels of the pixels of an image according to the threshold considered (THR here): if a pixel has a gray level having a value greater than the threshold, it is attributed by example the value 255 (white), whereas if the gray level of the pixel has a value lower than the threshold, it is given the value 0 (black).
  • FIG. 4C illustrates an extract of the binary IMS image obtained by thresholding from the tomographic image IM of FIG 4B This extract represents a sub-volume of the aeronautical part 2.
  • the image IMS thus obtained is then simplified by the device 4 of determination, to make it usable to extract the orientations of the chips of the aeronautical part 2 (step E30).
  • the determination device 4 via its extraction module 4B, carries out a skeletonization of the IMS image and in particular the tracers represented thereon.
  • Skeletonization is an operation conventionally used in shape analysis and an analysis tool particularly known in image processing. It consists of reducing a shape into a set of curves called skeletons centered in the original form, and retaining the topological properties of the original form.
  • Known skeletonization techniques are, for example, techniques for topological thinning, extraction of distance maps, simulation of the inflamed front or else analytical calculation techniques based for example on Voronoi diagrams. They are not described in more detail here.
  • the skeletonization performed by the extraction module 4B leads to the extraction, for each tracer, of a "skeleton" line representative of this tracer (tracer neutral fiber).
  • This line is here a three-dimensional curve which mathematically represents in a simple way the tracer associated with a chip.
  • Each line thus extracted by the extraction module 4B of a tracer is therefore also representative of the chip (ie the chip's neutral fiber) to which this tracer is associated in the aeronautical part 2, and this, over its entire length.
  • FIG. 4D illustrates a result of a skeletonization operation performed on the IMS image represented in FIG. 4C.
  • the skeleton formed by the lines extracted by the extraction module 4B is then processed by the determination device 4 to obtain the information necessary for the characterization of the microstructure of the aeronautical part 2.
  • the determination device 4 uses a sliding box defining a sub-volume of predefined dimensions of the aeronautical part 2 that it moves over all or part of the part 2 (step E40 ).
  • N denoting an integer greater than or equal to 1.
  • the sliding box defines a parallelepipedal sub-volume.
  • the dimensions of this sub-volume are chosen so as to allow the observation of a sample sufficiently representative of the material of the aeronautical part 2 while making it possible to observe areas of anisotropy in the material if necessary. It is chosen to be of sufficient size to contain a number of tracers making it possible to obtain a sufficient statistic. It is noted that a confidence index can be associated with the number of tracers present in the sub-volume to enable the reliability of the orientations determined according to the invention to be checked.
  • the dimensions of the sub-volume may also depend on the resolution of the orientation map that one wishes to obtain.
  • the sliding box is moved over the entire volume of the part 2 shown on the tomographic image IM (or at least over a set of a predetermined volume of interest of the part 2 ) so as to cover the entire volume of the room 2 (or the volume of interest).
  • the displacement of the sliding box is achieved here by providing an overlap between each movement of the volumes contained in the sliding box.
  • the dimensions of the overlap are predetermined: they can be fixed by default or on the contrary can be parameterized. The forecast of such a recovery makes it possible not to lose information and to smooth out the information obtained.
  • the choice, if any, of a limited volume of interest that can be wishing to travel with the sliding box may depend on several factors, such as the geometry of the room 2, the presence or absence of a critical area on this piece with respect to its structural strength, its behavior, etc.
  • another form of box may be considered; Moreover, it is also possible to consider moving the sliding box on the volume of interest considered of the part 2 without overlap between the different displacements.
  • the determination device 4 For each line extracted from the image contained in the sub-volume defined by the box when it is in a POSn position, the determination device 4, via its extension module 4C, extends each line. in the direction of the width and in the direction of the thickness according to the dimensions of the chips (width I and thickness e respectively) (step E50).
  • This extension is performed in a plurality of so-called reference points of the line corresponding here to voxels distinct from the image, and results in a plurality of so-called extended points associated with each reference point.
  • FIG. 5A represents in a plane (x, y) two lines Ll and L2 representative of two entangled chips (or part of two chips) of the aeronautical part 2, these two lines having been extracted. by the extraction module 4B.
  • the grid shown in FIG. 5A delimits the voxels of the image included in the sub-volume SS-VOL considered defined by the sliding box in its current position POSn.
  • line L1 is laterally extended at several so-called reference points chosen on line L1 (for example regularly distributed on line L1, a point per voxel through which line L1 passes).
  • reference points chosen on line L1 (for example regularly distributed on line L1, a point per voxel through which line L1 passes).
  • Prefl a few selected reference points on line L1 are represented by black circles and designated Prefl.
  • This width extension is achieved by creating a plurality of so-called extended points on either side of each of the reference points Prefl, on lines orthogonal to the direction of the line L1 in each of the Prefl reference points considered, and over a width substantially equal to the width I of the chips.
  • the extension of the line L1 is performed at each reference point Prefl considered on a width that is a multiple of the width of a voxel. We choose this multiple so as to get as close as possible (by excess or by default) to the width I of a chip.
  • the line L1 is extended over a width comprising three voxels. Each extended point thus corresponds to a separate voxel in the sub-volume SS-VOL.
  • FIG. 5B illustrates an example of extended points represented by crosses and designated by Pextl obtained for a PRefl reference point.
  • the extension performed is parallel at any reference point chosen on line L1 to the direction of line L1 at this reference point, so that this width extension creates a sort of band of width substantially equal to I substantially centered on the line L1 (it is possible that the band is not exactly centered on the line L1 because of the discretization in voxels and according to where is the neutral line L1 of the tracer with respect to the centroid of the voxel through which it passes) and, at any reference point of the line L1, the direction (the orientation) of the line L1.
  • the association module 4D then associates with each extended point obtained Pextl and associated with a reference point Prefl of the line L1, an orientation parallel to the direction (ie to the orientation) of the line L1 at this reference point Prefl. (step E60).
  • the orientations thus associated with each extended point issuing from the line L1 are represented in FIG. 5B by arrows.
  • the 4C extension and 4D association modules proceed in the same way for each line contained in the sub-volume defined by the sliding box positioned at the POSn position, and in particular for the line L2 as illustrated in FIG. 5C.
  • some extended points may be associated with a plurality of orientations corresponding to distinct lines. This is the case, for example, in FIG. 5C of the points with which two arrows are associated, an arrow representing the orientation of the line L1 and an arrow representing the orientation of the line L2.
  • the evaluation module 4E of the evaluation device 4 evaluates for each of the extended points obtained an average orientation of the chips at these points (step E70).
  • This average orientation is obtained here by averaging the orientations associated with these points for the different lines processed by 4C and 4D modules.
  • FIG. 4D illustrates, by a discontinuous arrow, for each extended point, the average orientation obtained.
  • the module 4F for determining the determination device 4 determines, for each average orientation obtained, the proportion of extended points (voxels here) having this average orientation in the sub-volume defined by the sliding box in the POSn position (step E80). .
  • This proportion is equal, for each average orientation, to the number of extended points having this average orientation over the total number of extended points obtained for the sub-volume considered.
  • the proportion thus obtained provides an indication of the proportion of fiber elements, locally in the sub-volume, in each direction of the space corresponding to an average orientation obtained.
  • the determination device 4 moves the sliding box to another position POSn + 1, so here to scan the entire volume of the aeronautical part 2 (answer yes to the test step E90), and repeats the steps E40 to E80 previously described on the sub-volume newly defined by the sliding box when it is positioned at the position POSn + 1.
  • steps E50 and E60 are implemented by means of the sliding box, the other steps being performed on the entire volume of the room by aggregating the information obtained for each sliding box.
  • the determination device 4 determines the main orientations of the entangled chips in the aeronautical part 2 and the proportions of chips having these orientations (step E100). For this purpose, it aggregates the information obtained in steps E80 for the different positions POS1,..., POSN taken by the sliding box, taking into account any recoveries during the displacement of the sliding box (an average can then be realized on the obtained proportions concerned by the recoveries making it possible to smooth the obtained values).
  • the determination module 4F determines the different positions providing no recovery. It is sufficient for this purpose in the determination module 4F to take into account the average orientations evaluated for each sub-volume defined by the sliding box, and the extended point proportions determined associated with these different average orientations (typically by averaging for the same average orientation, the proportions obtained for each of the sub-volumes).
  • the determination module 4F extracts from these average orientations and the associated proportions, the main directions of the chips in the aeronautical part 2, and stores them here, in association with the proportions of chips having these main orientations, in an orientation tensor (step El 10).
  • an orientation tensor provides a description of the orientation distribution in a volume in the form of a matrix of dimensions 3 ⁇ 3.
  • the eigenvectors of this matrix represent the principal directions of the orientations, while the eigenvalues of the matrix characterize the rate (i.e. the proportion) of elements (here of chips) having these directions.
  • Such a description advantageously allows a graphical representation of the orientations of the chips of the aeronautical part by means of ellipsoids whose axes are determined from the eigenvectors (direction of the axes) and eigenvalues (dimensions of the axes).
  • Figure 4E illustrates such a map for the blade shown in Figure 4A.
  • the use of dark gray denotes an oriented distribution of fiber chips while the use of light gray denotes an isotropic distribution of fiber chips.
  • markers or tracers are carried by all or part of the entangled chips in the aeronautical part 2. The presence of these markers facilitates, as it appears from reading the above, the extraction of representative lines of the chips.
  • module 4B extraction 4B does not perform thresholding of the IM image (ie it does not implement the steps E20 and E30 previously described), but proceeds directly to a skeletonization of the IM image, according to any of the previously introduced techniques or by using the gradients of the IM image, so as to determine the boundaries of each chip shown in the IM image. It should be noted that this skeletonization is facilitated by the fact that the boundaries of the chips are generally richer in resin than the rest of the chips, and therefore have a different density with respect to the inside of the chips. At the end of this skeletonization, closed surfaces delimiting the chips are thus obtained.
  • the extraction module 4B extracts an "average" line (neutral line located in the center of the surfaces thus delimited and corresponding to the direction of greater length of each surface , assuming that the chips are not square) representative of each chip. Steps E40 to E1 are then applied to the lines thus extracted from the IM image.
  • step E50 it is possible during step E50 to proceed only with an extension in the width direction of the representative lines of the fiber chips extracted from the image, especially when the thickness of the chips is negligible compared to to its other dimensions. Indeed, in the case of the fine and large pieces mentioned above, it can be assumed that the fiber chips are flat (even if their orientation in the plane can vary along the average line).
  • the directions of the chips of the aeronautical part 2 thus determined by the device 4 for determining from the tomographic image IM allow the CND system 1 to implement a non-destructive control on the aeronautical part 2.
  • FIG. 6 illustrates the main steps of a non-destructive testing method implemented by the CND system 1 illustrated in FIG. 1 in a particular embodiment.
  • a tomographic image of the aeronautical part 2 (for example the IM image described above) is acquired by the digital imaging system 3 (step F10).
  • This IM image is, as previously described, a digital image coded in three-dimensional gray level, each voxel of the image representing the material density of the aeronautical part 2 in the point represented by the voxel.
  • This IM image is supplied to the device 4 for determining the orientations.
  • the determination device 4 determines from the IM image the orientations of the chips entangled in the material constituting the aeronautical part 2 according to the determination method described above with reference to FIGS. 3 to 5.
  • the orientations thus determined are provided, for example in the form of an orientation tensor, to the control device 5.
  • the control device 5 carries out a non-destructive test on the aeronautical part 2 using the orientations thus provided (step F30).
  • This control can take different forms.
  • orientations thus determined can be provided at the input of a digital model making it possible to reconstruct a representative elementary volume (or VER) of the microstructure of the material of aeronautical part 2, as described in document WO 2015/185840.
  • a digital model powered with real directions data extracted from the piece 2 itself according to the invention, rather than with a mean statistic, offers a very realistic representation of the piece 2.
  • This representation analyzed by finite elements, then advantageously makes it possible to reliably predict the properties mechanical properties (eg rigidity, fracture properties, etc.) of the part at any point in it.
  • the actual part can be validated by non-destructive testing rather than requiring a mechanical test on the part as is the case today.
  • control device 5 may consist in estimating the variation of the outgoing production part orientations with respect to the nominal orientations (and a nominal variability) used during the design of the part. To do this, the control device 5 can evaluate a standard of the difference between the orientation tensor provided by the determining device 4 (eg for the whole part or for each sub-volume defined by the sliding box). in a given position) and the tensor of the nominal orientations. This type of control makes it possible to ensure the repeatability of the manufacturing process of the aeronautical part.
  • Non-destructive inspection may consist in detecting derogations that may appear during the manufacture of a part, such as, for example, an abnormal distribution of the directions of the chips locally, the appearance of porosity or indication as inclusions. metal.
  • the technique for determining the orientations provided by the invention is a software technique allowing a substantial time saving and an ease of realization compared to the control techniques existing today based essentially on mechanical tests performed on parts. The uncertainty of the checks carried out on the parts is thus reduced, which makes it possible to minimize the risks while alleviating the structures necessary for these controls.
  • the invention also advantageously makes it possible to easily demonstrate the repeatability of the parts manufacturing process.

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Abstract

Le procédé selon l'invention comprend : — l'obtention (E10) d'une image d'une pièce en matériau composite, chaque pixel de l'image représentant une densité de matériau en un point de la pièce représenté par ce pixel; — l'extraction (E30) de l'image, pour au moins un élément de fibre de la pièce, d'une ligne représentative de cet élément sur sa longueur; — pour chaque ligne extraite : - l'extension (E50) en largeur de cette ligne en plusieurs points de référence conformément à la largeur de l'élément de fibre, cette extension résultant pour chaque point de référence en plusieurs points étendus; - l'association (E60) à chaque point étendu lié à un point de référence d'une orientation parallèle à une direction de la ligne en ce point de référence; — l'évaluation (E70) pour plusieurs points étendus d'une orientation moyenne des éléments de fibres en ces points; et — la détermination (E100) pour plusieurs orientations d'une proportion d'éléments ayant ces orientations à partir des orientations moyennes évaluées.

Description

Procédé et dispositif de détermination des orientations d'éléments de fibres dans une pièce en matériau composite
Arrière-plan de l'invention
L'invention concerne le domaine général des matériaux composites.
Elle se rapporte plus particulièrement au contrôle de pièces réalisées en matériau composite, tel que par exemple en matériau composite à fibres longues discontinues (DLF ou DFC pour « Discontinuous Fiber Composites » en anglais), fabriqué à partir de copeaux ou « chips » pré-imprégnés de fibres (ex. de verre, de carbone ou autre) unidirectionnels enchevêtrés aléatoirement. La résine du matériau composite, aussi appelée parfois matrice, peut être thermodurcissable ou thermoplastique.
De tels matériaux composites sont particulièrement bien adaptés pour la réalisation de pièces à géométrie complexe (comprenant par exemple des nervures ou des bossages), telles qu'utilisées notamment dans l'industrie aéronautique ou dans de nombreuses autres industries mécaniques. Ces pièces sont fabriquées de façon connue à partir de préformes découpées dans une nappe de matière formée à partir des copeaux de fibres enchevêtrés, puis assemblées dans un moule et soumises à un cycle de thermo-compression. Les copeaux peuvent être également injectés à chaud dans le moule.
Les performances de ces matériaux composites dépendent directement de l'enchevêtrement des copeaux de fibres, et souffrent d'une variabilité intrinsèque due au caractère aléatoire de la microstructure (géométrie) du matériau composite à l'échelle des copeaux. Cet enchevêtrement est largement dépendant du procédé de fabrication de la pièce qui peut générer un fluage (i.e. déformation) de la matière lors de la thermo-compression. Il peut par conséquent arriver qu'on observe sur les pièces des comportements mécaniques différents de ceux observés lors d'essais sur éprouvette car les copeaux de fibres se sont réorientés différemment.
En raison de la nature aléatoire de l'enchevêtrement des copeaux de fibres, les matériaux composites et notamment les matériaux DLF ont donc un comportement difficile à prévoir, ce qui contraint les utilisateurs de ces matériaux à passer par une démarche de certification de leurs pièces par essais. Les campagnes de certification sont particulièrement longues et coûteuses. En outre, il est difficile de procéder par comparaison pour valider d'autres conceptions (ou « designs ») même très proches de la pièce testée. Quand bien même la certification est obtenue, il n'est pas rare que les fabricants de pièces réalisées en matériau DLF doivent démontrer la capacité de chaque pièce fabriquée avant sa livraison.
II existe donc un besoin d'un procédé qui permette de caractériser la microstructure d'une pièce réalisée en matériau composite afin d'être en mesure notamment de prédire ses performances et qui ne présente pas les inconvénients précités. Obiet et résumé de l'invention
La présente invention répond notamment à ce besoin en proposant un procédé de détermination des orientations d'éléments de fibres assemblés dans une pièce réalisée en matériau composite, ces éléments de fibres ayant une forme initiale caractérisée par une longueur, une largeur et une épaisseur, le procédé comprenant :
— une étape d'obtention d'une image de la pièce, chaque pixel de l'image représentant une densité de matériau en un point de la pièce représenté sur l'image par ce pixel;
— une étape d'extraction de l'image, pour au moins un élément de fibre de la pièce, d'une ligne représentative de cet élément de fibre sur tout ou partie de sa longueur dans la pièce ;
— pour chaque ligne extraite de l'image :
o une étape d'extension en largeur de cette ligne en une pluralité de points dits de référence de ladite ligne, conformément à la largeur de l'élément de fibre dont la ligne est représentative, ladite extension résultant pour chaque point de référence en une pluralité de points dits étendus associés à ce point de référence ;
o une étape d'association, à chaque point étendu associé à un point de référence, d'une orientation parallèle à une direction de la ligne en ce point de référence ; — une étape d'évaluation pour une pluralité de points étendus, d'une orientation moyenne des éléments de fibres en ces points à partir des orientations associées à ces points étendus ; et
— une étape de détermination, pour une pluralité d'orientations des éléments de fibres, d'une proportion d'éléments de fibres ayant ces orientations à partir des orientations moyennes ainsi évaluées.
Corrélativement, l'invention vise aussi un dispositif de détermination des orientations d'éléments de fibres assemblés dans une pièce réalisée en matériau composite, ces éléments de fibres ayant une forme initiale caractérisée par une longueur, une largeur et une épaisseur, ce dispositif comprenant :
— un module d'obtention, apte à obtenir une image de la pièce, chaque pixel de l'image représentant une densité de matériau en un point de la pièce représenté sur l'image par ce pixel ;
— un module d'extraction, configuré pour extraire de l'image, pour au moins un élément de fibre de la pièce, une ligne représentative de cet élément de fibre sur tout ou partie de sa longueur dans la pièce ;
— un module d'extension, configuré pour étendre en largeur chaque ligne extraite de l'image en une pluralité de points dits de référence de ladite ligne, conformément à la largeur de l'élément de fibre dont la ligne est représentative, ladite extension résultant pour chaque point de référence en une pluralité de points dits étendus associés à ce point de référence ;
— un module d'association, configuré pour associer à chaque point étendu associé à un point de référence d'une ligne extraite de l'image, une orientation parallèle à une direction de la ligne en ce point de référence ;
— un module d'évaluation, configuré pour évaluer pour une pluralité de points étendus, une orientation moyenne des éléments de fibres en ces points à partir des orientations associées à ces points étendus ; et
— un module de détermination, configuré pour déterminer pour une pluralité d'orientations des éléments de fibres, une proportion d'éléments de fibres ayant ces orientations à partir des orientations moyennes ainsi évaluées.
La présente invention propose donc de caractériser la microstructure d'une pièce réalisée en matériau composite en déterminant l'orientation des éléments de fibres (ex. copeaux ou chips, ou plus généralement des éléments de fibres ayant par exemple une forme initiale parallélépipédique caractérisée par une longueur, une largeur et une épaisseur) qui sont enchevêtrés aléatoirement dans le matériau, et la proportion des éléments enchevêtrés selon une même orientation. L'orientation des éléments de fibres du matériau composite est en effet un paramètre microstructural qui, de façon connue, a un impact important sur les propriétés mécaniques du matériau composite.
Conformément à l'invention, cette orientation est déterminée pour une pièce mécanique réelle, telle que par exemple une pièce aéronautique, à partir d'une image représentant cette pièce. Une telle image est par exemple une image tomographique en trois dimensions ou une image radiographique en deux dimensions sur laquelle chaque pixel (aussi appelé « voxel » pour le cas des images en trois dimensions) représente la densité de matériau en un point de la pièce correspondant à ce pixel. Ce type d'image présente l'avantage de fournir des informations assez fines et directement exploitables sur l'intérieur de la pièce. Elle permet ainsi d'extraire des informations sur l'orientation des copeaux au sein de la pièce moyennant un traitement simple proposé par l'invention.
Ce traitement simple comprend dans un premier temps une
« squelettisation » de l'image afin de la rendre plus facilement exploitable, cette squelettisation consistant à ne garder pour chaque copeau, qu'une ligne directrice représentative longitudinalement du copeau. Cette ligne est une courbe en deux ou trois dimensions selon l'image considérée et constitue avantageusement la représentation mathématique la plus simple du copeau. L'analyse des orientations des copeaux est alors réalisée à partir des lignes obtenues au moyen par exemple d'une boîte glissante définissant un sous-volume (ex. parallélépipédique ou autre) ou une sous- surface, et déplacée sur tout ou partie du volume ou de la surface de la pièce représentée sur l'image. Plus particulièrement, dans chaque sous- volume/sous-surface, la longueur de la ligne dans une direction donnée est intégrée, en tenant compte des dimensions des copeaux de fibre dans la ou les autres directions, au cours d'une étape dite d'extension de la ligne.
A titre illustratif, dans le cas d'une image en deux dimensions
(ex. image radiographique), l'extension est limitée à une extension en largeur de la ligne en la pluralité de points de référence conformément à la largeur de l'élément de fibre dont la ligne est représentative. Dans le cas d'une image en trois dimensions (ex. image tomographique), l'extension comprend une extension en largeur de la ligne en la pluralité de points de référence conformément à la largeur de l'élément de fibre dont la ligne est représentative, et une extension en épaisseur de la ligne en la pluralité de points de référence conformément à l'épaisseur de l'élément de fibre dont la ligne est représentative.
L'étape d'extension mise en œuvre dans l'invention permet de recréer artificiellement la géométrie des copeaux de fibre dans le (sous- )volume ou (sous)-surface défini(e) par la boîte et de leur associer en plusieurs points dits étendus une orientation. Il suffit dès lors d'estimer la proportion de copeaux de fibres dans chaque direction de l'espace pour connaître la répartition spatiale des copeaux de fibres localement dans le sous-volume, cette connaissance pouvant ensuite être étendue à l'ensemble de la pièce en considérant d'autres sous-volumes ou sous- surfaces de la pièce.
La connaissance des orientations des copeaux dans la pièce peut permettre avantageusement d'alimenter un modèle numérique modélisant la microstructure de cette pièce, tel que par exemple un modèle numérique similaire à celui décrit dans le document WO 2015/185840. Un tel modèle numérique alimenté avec des données réelles extraites de la pièce elle-même (plutôt qu'avec une statistique moyenne) représente de façon réaliste la pièce et permet avantageusement de prédire de manière fiable les propriétés mécaniques (ex. rigidité, propriétés de rupture, etc.) de la pièce en tout point de celle-ci. Grâce à ce modèle, la pièce réelle peut être validée au moyen d'un contrôle non destructif au lieu de nécessiter un essai mécanique sur la pièce comme cela est le cas aujourd'hui. De façon connue, on désigne par contrôle non destructif un ensemble de méthodes qui permettent de caractériser l'état d'intégrité et/ou la qualité de structures (pièces) ou de matériaux sans les dégrader.
Le contrôle non destructif a une application privilégiée mais non limitative dans le domaine de l'aéronautique, et plus généralement dans n'importe quel domaine dans lequel les structures dont on souhaite caractériser l'état ou la qualité sont coûteuses et/ou leur fiabilité de fonctionnement est critique. Le contrôle non destructif peut être avantageusement réalisé sur la pièce considérée aussi bien en cours de fabrication qu'en cours d'utilisation ou de maintenance. L'invention s'applique donc de façon privilégiée mais non limitative aux pièces aéronautiques, et plus particulièrement aux pièces aéronautiques en matériaux composites de type DLF (ou DFC). Elle peut également s'appliquer à d'autres types de matériaux composites comme par exemple à des matériaux BMC (pour Bulk Molding Compound en anglais) ou SMS (pour Sheed Molding Compound en anglais). On note que ces deux types de matériaux sont couramment usités pour la réalisation de pièces de grandes tailles et d'épaisseur fine au regard des autres dimensions de ces pièces. Pour de telles pièces, l'usage de la tomographie n'est pas adapté ; on privilégiera alors plutôt, pour mettre en œuvre l'invention, une image de type radiographique de ces pièces, en deux dimensions, permettant d'obtenir une cartographie d'orientation surfacique sur la pièce.
L'invention offre en outre la possibilité, via la détermination des orientations des copeaux de fibres dans la pièce, de contrôler facilement la variabilité dans la répartition des copeaux pouvant exister d'une pièce à l'autre, et/ou par rapport à des orientations dites nominales (i.e. de référence). Cette variabilité est due notamment au procédé de fabrication de la pièce : en effet, d'une pièce à l'autre, les copeaux se positionnent individuellement de façon non déterministe de sorte que de petites variations de répartition des copeaux (au niveau de l'orientation ou de l'enchevêtrement même) peuvent être observées. La connaissance des orientations des copeaux de fibres dans une pièce donnée permet de les comparer à des orientations nominales fixées lors de la conception de la pièce.
Ainsi l'invention permet de vérifier et de s'assurer facilement de la répétabilité du procédé de fabrication des pièces, en s'assurant, grâce aux orientations des copeaux de fibre déterminées au moyen de l'invention, que chacune des pièces a une répartition similaire de ces copeaux de fibre (au regard bien entendu d'un seuil de tolérance donné). On s'assure ainsi que chacune des pièces issues du procédé de fabrication considéré conserve des performances proches de performances nominales prédéterminées.
Dans un mode particulier de réalisation : — tout ou partie des éléments de fibres assemblés dans la pièce portent des marqueurs (ou des traceurs) suivant la longueur des éléments de fibre ;
— l'étape d'extraction comprend un seuillage de l'image réalisé au moyen d'un seuil défini à partir d'une densité de matériau des marqueurs, ce seuillage résultant en une image représentant les marqueurs ; et
— les lignes sont extraites à partir des marqueurs représentés sur l'image résultant du seuillage.
Ce mode de réalisation facilite l'extraction des lignes représentatives des copeaux de fibres, celle-ci s'appuyant directement sur les marqueurs présents sur certains copeaux de fibres. On note que tous les copeaux de fibres n'ont pas besoin de porter de tels marqueurs. Bien entendu, la fiabilité des orientations déterminées dépend dans ce mode de réalisation de la quantité de marqueurs présents dans la pièce et de leur répartition dans la pièce. Plus les marqueurs sont répartis uniformément et/ou nombreux dans la pièce, meilleure est la fiabilité des orientations estimées par l'invention.
Dans un autre mode de réalisation, pertinent notamment lorsque les éléments/copeaux de fibres ne portent pas de tels marqueurs, l'étape d'extraction comprend la détermination de frontières de chaque élément de fibre de la pièce, les lignes représentatives des éléments de fibres étant extraites à partir des frontières ainsi déterminées.
Ainsi l'invention s'applique aisément de l'absence de marqueurs sur les éléments de fibre.
Dans un mode particulier de réalisation, au moins les étapes d'extension et d'association sont mises en œuvre en utilisant une boîte glissante définissant un sous-volume ou une sous-surface de dimensions prédéfinies, déplacée sur tout ou partie de la pièce.
Le recours à une boîte glissante permet, comme mentionné précédemment, de parcourir l'ensemble de la pièce, et d'estimer les orientations des éléments de fibres sur l'ensemble de la pièce. Les dimensions de la boîte considérée et du sous-volume ou de la sous- surface défini(e) par cette boîte, sa forme (ex. parallélépipédique ou rectangulaire), ainsi que les recouvrements entre deux déplacements de la boîte glissante sur la pièce, dépendent de plusieurs facteurs. Ainsi, notamment, la définition d'un sous-volume ou d'une sous-surface trop petit(e) risque de ne pas permettre d'observer un échantillon suffisamment représentatif du matériau, alors qu'un sous-volume ou une sous-surface trop important(e) ne permettra peut-être pas d'identifier des zones d'anisotropie.
Dans un mode particulier de réalisation, les orientations des éléments de fibres et les proportions d'éléments de fibres ayant ces orientations moyennes sont stockées dans un tenseur d'orientation.
Un tel tenseur d'orientation s'appuie, de façon connue, sur une matrice à trois lignes et trois colonnes, dont les vecteurs propres représentent les directions principales d'orientation des éléments de fibres dans la pièce tandis que les valeurs propres définissent la proportion d'éléments de fibres de la pièce suivant ces directions. Ce tenseur d'orientation permet une représentation graphique des orientations des éléments de fibre de la pièce au moyen d'ellipsoïdes en trois dimensions ou d'ellipses en deux dimensions dont les directions des axes sont définies par les vecteurs propres du tenseur, tandis que les valeurs propres définissent leurs longueurs.
En variante, on peut envisager une représentation sous forme cartographique, dans un panneau plan.
Dans un mode particulier de réalisation, les différentes étapes du procédé de détermination sont déterminées par des instructions de programmes d'ordinateurs.
En conséquence, l'invention vise aussi un programme d'ordinateur sur un support d'informations, ce programme étant susceptible d'être mis en uvre dans un dispositif de détermination ou plus généralement dans un ordinateur, ce programme comportant des instructions adaptées à la mise en œuvre des étapes d'un procédé de détermination tel que décrit ci-dessus.
Ce programme peut utiliser n'importe quel langage de programmation, et être sous la forme de code source, code objet, ou de code intermédiaire entre code source et code objet, tel que dans une forme partiellement compilée, ou dans n'importe quelle autre forme souhaitable.
L'invention vise aussi un support d'informations lisible par un ordinateur, et comportant des instructions d'un programme d'ordinateur tel que mentionné ci-dessus. Le support d'informations peut être n'importe quelle entité ou dispositif capable de stocker le programme. Par exemple, le support peut comporter un moyen de stockage, tel qu'une ROM, par exemple un CD ROM ou une ROM de circuit microélectronique, ou encore un moyen d'enregistrement magnétique, par exemple un disque dur.
D'autre part, le support d'informations peut être un support transmissible tel qu'un signal électrique ou optique, qui peut être acheminé via un câble électrique ou optique, par radio ou par d'autres moyens. Le programme selon l'invention peut être en particulier téléchargé sur un réseau de type Internet.
Alternativement, le support d'informations peut être un circuit intégré dans lequel le programme est incorporé, le circuit étant adapté pour exécuter ou pour être utilisé dans l'exécution du procédé en question.
L'invention vise également, selon un autre aspect, un procédé de contrôle non destructif appliqué à une pièce en matériau composite, ce matériau composite comprenant un assemblage d'éléments de fibres, ce procédé de contrôle comprenant :
— une étape d'acquisition au moyen d'un système d'imagerie numérique, d'une image de la pièce, chaque pixel de l'image représentant une densité de matériau en un point de la pièce représenté sur l'image par ce pixel ;
— une étape de détermination des orientations des éléments de fibres de la pièce mettant en œuvre un procédé de détermination selon l'invention ; et
— une étape de contrôle non destructif réalisée sur la pièce utilisant les orientations ainsi déterminées.
Corrélativement, l'invention vise aussi un système de contrôle non destructif destiné à être utilisé pour contrôler une pièce en matériau composite, ce matériau composite comprenant un assemblage d'éléments de fibres, ce système de contrôle comprenant :
— un système d'imagerie numérique, configuré pour acquérir une image de la pièce, chaque pixel de l'image représentant une densité de matériau en un point de la pièce représenté sur l'image par ce pixel ; — un dispositif de détermination des orientations des éléments de fibres de la pièce selon l'invention ; et — un dispositif de contrôle de la pièce configuré pour utiliser les orientations ainsi déterminées.
Dans un mode privilégié de réalisation, la pièce est une pièce aéronautique.
Le procédé et le système de contrôle bénéficient des mêmes avantages, cités précédemment, que le procédé et le dispositif de détermination selon l'invention.
On peut également envisager, dans d'autres modes de réalisation, que le procédé et le dispositif de détermination, et le procédé et le système de contrôle non destructif selon l'invention présentent en combinaison tout ou partie des caractéristiques précitées.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures :
— la figure 1 représente un système de contrôle non destructif conforme à l'invention, dans un mode particulier de réalisation ;
— la figure 2 représente l'architecture matérielle d'un dispositif de détermination selon l'invention appartenant au système de contrôle non destructif de la figure 1 ;
— la figure 3 illustre les principales étapes d'un procédé de détermination selon l'invention dans un mode particulier de réalisation dans lequel il est mis en œuvre par le dispositif de détermination de la figure 2 ;
— les figures 4A-4E illustrent différents traitements et images utilisés par le dispositif de détermination de la figure 2, dans un mode particulier de réalisation ;
— les figures 5A-5D illustrent différents traitements mis en œuvre par le dispositif de détermination de la figure 2, dans un mode particulier de réalisation ; et
— la figure 6 représente les principales étapes d'un procédé de contrôle non destructif selon l'invention dans un mode particulier de réalisation dans lequel il est mis en œuvre par le système de la figure 1. Description détaillée de l'invention
La figure 1 représente, dans son environnement, un système 1 de contrôle non destructif (ou système CND 1), destiné à être utilisé pour contrôler une pièce en matériau composite.
Dans l'exemple envisagé à la figure 1, cette pièce est une pièce aéronautique 2, telle que par exemple une aube d'une turbomachine, réalisée en matériau composite. Toutefois, aucune limitation n'est attachée à la nature de la pièce considérée sur laquelle on envisage d'appliquer un contrôle non destructif au moyen du système CND 1. Il peut s'agir de tout autre type de pièces aéronautiques ou plus généralement de tout autre type de pièces mécaniques dont on souhaite contrôler par exemple la conformité.
Dans l'exemple envisagé ici, la pièce aéronautique 2 est réalisée dans un matériau composite de type DFC, autrement dit, à fibres longues discontinues (ou DLF), fabriqué à partir de « chips » ou copeaux de fibres enchevêtrés aléatoirement et pré-imprégnés d'une résine thermodurcissable (matrice). Les chips sont par exemple des copeaux de fibre de carbone imprégnés d'une résine de carbone, et qui ont une forme initiale (i.e. avant déformation par le procédé de fabrication de la pièce, par exemple dans le moule) sensiblement parallélépipédique définie par une longueur L, une largeur I et une épaisseur e. Par exemple, la longueur L des chips varie entre 10 et 50 mm, la largeur I est d'environ 10 mm et l'épaisseur des chips est d'environ 0.15 mm. Ces chips constituent des éléments de fibres au sens de l'invention. Dans la suite de la description, on utilise indifféremment les termes chips, copeaux de fibres ou éléments de fibres pour désigner les chips enchevêtrés aléatoirement dans le matériau composite constituant la pièce aéronautique 2.
Bien entendu, les valeurs précédentes ne sont données qu'à titre illustratif. En outre, l'invention s'applique à d'autres matériaux composites constitués d'éléments de fibre pré-imprégnés d'une résine, comme par exemple à des matériaux constitués de copeaux de fibres de verre imprégnés d'une résine polymère, ou tout autre composite composé de chips ou de torons pré-imprégnés disposés de manière aléatoire ou quasi aléatoire dans une cavité. L'invention s'applique également à des éléments de fibres ayant une autre forme initiale qu'une forme parallélépipédique et pouvant être caractérisée par une longueur L, une largeur I et une épaisseur e.
Conformément à l'invention, le système CND 1 s'appuie, pour réaliser un contrôle non destructif sur la pièce aéronautique 2, sur une détermination des orientations des chips enchevêtrés dans la pièce.
Dans le mode de réalisation envisagé à la figure 1, chaque chip enchevêtré dans la pièce aéronautique 2 porte un marqueur ou un traceur s'étendant sur toute la longueur du chip. Un tel marqueur est par exemple un fil ou un toron en fibre de verre, apparaissant de « couleur » différente de la couleur des copeaux de fibres de carbone utilisés pour constituer le matériau composite (ou ayant un niveau d'absorption différent), et inséré sur le chip de façon connue en soi. La demande de brevet WO 2016028349 décrit un exemple d'insertion et d'utilisation de tels marqueurs dans une pièce en matériau composite.
En variante, seulement une partie des chips enchevêtrés dans la pièce aéronautique 2 porte de tels marqueurs. Préférentiel lement, on s'assure d'avoir une proportion d'au moins 70% de copeaux de fibre munis de marqueurs dans la pièce aéronautique 2, répartis de manière équilibrée sur la pièce (i.e. de sorte à éviter une concentration des marqueurs en un endroit de la pièce). L'invention peut toutefois être mise en œuvre avec une concentration moins élevée de marqueurs ; on pourra dès lors assortir les orientations déterminées conformément à l'invention d'un indice de confiance reflétant la proportion de marqueurs présents dans la pièce ainsi que leur répartition.
Conformément à l'invention, pour opérer un contrôle non destructif sur la pièce aéronautique 2, le système CND 1 comprend :
— un système d'imagerie numérique 3, configuré pour acquérir une image de la pièce. Dans l'exemple envisagé à la figure 1, le système d'imagerie numérique 3 est un système tomographique apte à fournir une image IM tomographique en trois dimensions de la pièce aéronautique 2, chaque pixel en trois dimensions de l'image IM (aussi couramment désigné par « voxel » pour « volumetric pixel ») représentant une densité de matériau en un point de la pièce aéronautique 2 par ce pixel ; — un dispositif 4 de détermination des orientations des chips de la pièce 2, conforme à l'invention, et apte à utiliser à cet effet l'image IM acquise par le système d'imagerie numérique 3 ; et
— un dispositif 5 de contrôle de la pièce aéronautique 2 configuré pour utiliser les orientations déterminées par le dispositif 4 pour effectuer un contrôle non destructif sur la pièce aéronautique 2. Ce contrôle non destructif peut consister par exemple en la vérification de la conformité de la pièce aéronautique 2 par rapport à un standard prédéterminé, en vue notamment d'une certification de la pièce aéronautique 2, ou en la prédiction de performances mécaniques de la pièce aéronautique 2, etc. Des exemples de contrôles non destructifs pouvant être mis en œuvre par le dispositif 5 de contrôle à partir des orientations déterminées par le dispositif 4 selon l'invention sont détaillés ultérieurement.
Dans le mode de réalisation décrit ici, le dispositif 4 de détermination des orientations des chips de la pièce 2 est un ordinateur dont l'architecture matérielle est illustrée schématiquement à la figure 2.
Il comprend notamment un processeur 6, des mémoires 7-9 (par exemple, une mémoire morte et/ou un disque dur 7, une mémoire vive 8 et une mémoire non volatile 9), et des moyens de communication 10. Ces moyens de communication 10 comprennent notamment une ou plusieurs interfaces de communication (ex. port USB (Universal Sériai Bus), carte réseau, etc.) lui permettant de communiquer d'une part, avec le système 3 d'imagerie numérique ou avec un opérateur pour obtenir l'image tomographique IM de la pièce aéronautique 2 acquise par le système 3 d'imagerie numérique, et d'autre part, avec le dispositif 5 de contrôle, pour lui transmettre les orientations des chips qu'il a déterminées à partir de l'image IM conformément à l'invention.
La mémoire morte et/ou le disque dur 7 constitue un support d'enregistrement lisible par le processeur 6 du dispositif 4 de détermination et sur lequel est enregistré un programme d'ordinateur conforme à l'invention, comportant des instructions pour l'exécution des étapes d'un procédé de détermination des orientations selon l'invention, les étapes de ce procédé étant décrites ultérieurement en référence à la figure 3, dans un mode particulier de réalisation. Ce programme d'ordinateur définit de façon équivalente des modules fonctionnels du dispositif de détermination 4 (ces modules fonctionnels étant des modules logiciels ici), aptes à commander et/ou à utiliser les moyens matériels 7-10 du dispositif 4 de détermination mentionnés précédemment. Ces modules fonctionnels comprennent notamment dans le mode de réalisation décrit ici :
— un module 4A d'obtention, apte à obtenir l'image IM de la pièce aéronautique 2 acquise par le système d'imagerie numérique 3 ;
— un module 4B d'extraction, configuré pour extraire de l'image IM, pour au moins un chip de la pièce, une ligne représentative de ce chip sur tout ou partie de sa longueur dans la pièce ;
— un module 4C d'extension, configuré pour étendre, en largeur et en épaisseur ici, chaque ligne extraite de l'image en plusieurs points dits de référence de la ligne, de sorte à reconstituer en quelque sorte numériquement le chip dont la ligne est représentative ;
— un module 4D d'association, configuré pour associer à chaque point dit étendu résultant de l'extension des lignes extraites de l'image une orientation du chip en ce point ;
— un module 4E d'évaluation, configuré pour évaluer pour une pluralité de points étendus, une orientation moyenne des chips en ces points étendus ; et
— un module 4F de détermination, configuré pour déterminer pour une pluralité d'orientations moyennes ainsi évaluées, une proportion de points étendus ayant cette orientation moyenne.
Les fonctions de ces modules sont décrites plus en détail maintenant en référence aux étapes du procédé de détermination selon l'invention.
La figure 3 représente sous forme d'ordinogramme les principales étapes du procédé de détermination selon l'invention, dans un mode particulier de réalisation dans lequel il est mis en œuvre par le dispositif 4 de détermination de la figure 1 à partir d'une image tomographique IM en trois dimensions de la pièce aéronautique 2 acquise par le système d'imagerie numérique 3.
L'acquisition d'une image tomographique d'une pièce aéronautique au moyen d'un système d'imagerie numérique est connue en soi et n'est pas décrite en détail ici. L'image tomographique IM de la pièce aéronautique 2 acquise par le système 3 d'imagerie numérique est obtenue par le dispositif 4 de détermination, et plus particulièrement par son module d'obtention 4A (étape E10). Elle est fournie par exemple par le système 3 d'imagerie numérique au dispositif 4 de détermination via un réseau de télécommunications ou par un opérateur, via par exemple les moyens de communication 10 du dispositif 4 de détermination.
L'image tomographique IM en trois dimensions de la pièce aéronautique 2 fournit une mesure de la densité de matériau en chaque point de la pièce aéronautique 2. Plus particulièrement, l'image IM 2 étant une image numérique codée en niveaux de gris comprenant une pluralité de voxels (points/pixels en 3 dimensions), chaque voxel de l'image IM représente via un niveau de gris qui lui est associé la densité de matériau en le point de la pièce représenté par ce voxel. Les figures 4A et 4B représentent respectivement, à titre illustratif, une aube de turbomachine (pièce aéronautique 2 au sens de l'invention), et une image IM tomographique de cette pièce.
L'image tomographique IM est alors traitée par le dispositif 4 d'estimation pour établir une cartographie de paramètres microstructuraux de la pièce aéronautique 2, et plus précisément ici, des orientations préférentielles des chips de la pièce 2.
Dans le mode de réalisation décrit ici, comme mentionné précédemment, les chips enchevêtrés dans la pièce aéronautique 2 sont marqués au moyen de traceurs, qui suivent l'orientation des chips sur toute leur longueur. Ces traceurs (ou marqueurs), qui sont ici en fibre de verre, autrement dit, dans un matériau plus dense que la fibre de carbone constituant les chips, sont utilisés par le dispositif 4 de détermination pour réaliser un seuillage de l'image IM. Ils sont en effet facilement discernables (Le. détectables) sur l'image IM en raison de leur densité plus élevée que celle des chips.
Ainsi, le module 4B d'extraction du dispositif 4 de détermination réalise ici un seuillage sur les niveaux de gris de l'image IM au moyen d'un seuil THR défini à partir de la densité du matériau (i.e. de la fibre de verre ici) constituant les traceurs se trouvant sur les chips (par exemple THR est pris égal à la densité de la fibre de verre) (étape E20). La réalisation d'un seuillage sur une image codée en niveaux de gris est une opération connue en soi, non détaillée ici. Le seuillage d'image consiste à remplacer un à un les niveaux de gris des pixels d'une image en fonction du seuil considéré (THR ici) : si un pixel a un niveau de gris ayant une valeur supérieure au seuil, on lui attribue par exemple la valeur 255 (blanc), alors que si le niveau de gris du pixel a une valeur inférieure au seuil, on lui attribue la valeur 0 (noir).
Ce seuillage résulte en une image IMS binaire en noir et blanc sur laquelle ne sont représentés que les traceurs (et plus particulièrement leurs directions, c'est-à-dire leurs lignes moyennes (aussi communément désignées par « fibres neutres » des traceurs). La figure 4C illustre un extrait de l'image IMS binaire obtenue par seuillage à partir de l'image tomographique IM de la figure 4B. Cet extrait représente un sous-volume de la pièce aéronautique 2.
L'image IMS ainsi obtenue est ensuite simplifiée par le dispositif 4 de détermination, afin de la rendre exploitable pour en extraire les orientations des chips de la pièce aéronautique 2 (étape E30). A cet effet, le dispositif 4 de détermination, via son module d'extraction 4B, réalise une squelettisation de l'image IMS et notamment des traceurs représentés sur celle-ci. La squelettisation est une opération classiquement utilisée en analyse de formes et un outil d'analyse particulièrement connu en traitement d'images. Elle consiste à réduire une forme en un ensemble de courbes appelées squelettes centrées dans la forme d'origine, et conservant les propriétés topologiques de la forme d'origine. Des techniques de squelettisation connues sont par exemple des techniques d'amincissement topologique, d'extraction de carte de distances, de simulation du front enflammé ou encore des techniques de calcul analytique s'appuyant par exemple sur des diagrammes de Voronoï. Elles ne sont pas décrites plus en détail ici.
La squelettisation opérée par le module d'extraction 4B conduit à l'extraction, pour chaque traceur, d'une ligne « squelette » représentative de ce traceur (fibre neutre du traceur). Cette ligne est ici une courbe en trois dimensions qui représente mathématiquement et de façon simple le traceur associé à un chip. Chaque ligne ainsi extraite par le module 4B d'extraction d'un traceur est donc également représentative du chip (i.e. de la fibre neutre du chip) auquel ce traceur est associé dans la pièce aéronautique 2, et ce, sur toute sa longueur. La figure 4D illustre un résultat d'une opération de squelettisation réalisée sur l'image IMS représentée la figure 4C.
Puis le squelette formé par les lignes extraites par le module 4B d'extraction est ensuite traité par le dispositif 4 de détermination pour obtenir les informations nécessaires à la caractérisation de la microstructure de la pièce aéronautique 2.
Dans le mode de réalisation décrit ici, lors de ce traitement, le dispositif 4 de détermination utilise une boîte glissante définissant un sous-volume de dimensions prédéfinies de la pièce aéronautique 2 qu'il déplace sur tout ou partie de la pièce 2 (étape E40). On désigne par POSn, n=l,...,N, les différentes positions prises par la boîte lors de ses déplacements, N désignant un entier supérieur ou égal à 1. A chaque position correspondant un sous-volume distinct de la pièce aéronautique.
Dans le mode de réalisation décrit ici, la boîte glissante définit un sous-volume parallélépipédique. Les dimensions de ce sous-volume sont choisies de sorte à permettre l'observation d'un échantillon suffisamment représentatif du matériau de la pièce aéronautique 2 tout en rendant possible l'observation de zones d'anisotropie dans le matériau le cas échéant. On le choisit de taille suffisante pour contenir un nombre de traceurs permettant d'obtenir une statistique suffisante. On note qu'un indice de confiance peut être associé au nombre de traceurs présents dans le sous-volume pour permettre de contrôler à la fiabilité des orientations déterminées conformément à l'invention. Les dimensions du sous-volume peuvent également dépendre de la résolution de la cartographie d'orientations qu'on souhaite obtenir.
Dans le mode de réalisation décrit ici, la boîte glissante est déplacée sur l'ensemble du volume de la pièce 2 représenté sur l'image tomographique IM (ou au moins sur l'ensemble d'un volume d'intérêt prédéterminé de la pièce 2) de sorte à couvrir l'ensemble du volume de la pièce 2 (ou du volume d'intérêt). Le déplacement de la boîte glissante est réalisé ici en prévoyant un recouvrement entre chaque déplacement des volumes contenus dans la boîte glissante. Les dimensions du recouvrement sont prédéterminées : elles peuvent être fixées par défaut ou au contraire être paramétrables. La prévision d'un tel recouvrement permet de ne pas perdre d'information et de lisser l'information obtenue. Par ailleurs, le choix le cas échéant d'un volume d'intérêt limité que l'on souhaite parcourir avec la boîte glissante peut dépendre de plusieurs facteurs, comme par exemple la géométrie de la pièce 2, la présence ou non d'une zone critique sur cette pièce par rapport à sa tenue structurelle, à son comportement, etc.
Dans un autre mode de réalisation, une autre forme de boîte peut être envisagée ; par ailleurs, on peut également d'envisager de déplacer la boîte glissante sur le volume d'intérêt considéré de la pièce 2 sans recouvrement entre les différents déplacements.
Pour chaque ligne extraite de l'image contenue dans le sous- volume défini par la boîte lorsque celle-ci se trouve dans une position POSn, le dispositif 4 de détermination, par l'intermédiaire de son module 4C d'extension, étend chaque ligne dans le sens de la largeur et dans le sens de l'épaisseur conformément aux dimensions des chips (largeur I et épaisseur e respectivement) (étape E50). Cette extension est réalisée en une pluralité de points dits de référence de la ligne correspondant ici à des voxels distincts de l'image, et résulte en une pluralité de points dits étendus associés à chaque point de référence.
Pour mieux illustrer cette étape, la figure 5A représente dans un plan (x,y) deux lignes Ll et L2 représentatives de deux chips (ou d'une partie de deux chips) enchevêtrés de la pièce aéronautique 2, ces deux lignes ayant été extraites par le module 4B d'extraction. Le quadrillage illustré sur la figure 5A délimite les voxels de l'image compris dans le sous- volume SS-VOL considéré défini par la boîte glissante dans sa position courante POSn.
Sur la figure 5B, la ligne Ll est étendue latéralement en plusieurs points dits de référence choisis sur cette ligne Ll (par exemple répartis de façon régulière sur la ligne Ll, un point par voxel par lequel passe la ligne Ll). Sur la figure 5B, par souci de simplification, seuls quelques points de référence choisis sur la ligne Ll sont représentés par des cercles noirs et désignés par Prefl. Cette extension en largeur est réalisée en créant une pluralité de points dits étendus de part et d'autre ici de chacun des points de référence Prefl, sur des lignes orthogonales à la direction de la ligne Ll en chacun des points de référence Prefl considérés, et sur une largeur sensiblement égale à la largeur I des chips. On note que du fait de la discrétisation de l'image en voxels, l'extension de la ligne Ll est réalisée en chaque point de référence Prefl considéré sur une largeur qui est un multiple de la largeur d'un voxel. On choisit ce multiple de sorte à se rapprocher le plus possible (par excès ou par défaut) de la largeur I d'un chip. Dans l'exemple illustré à la figure 5B, on étend la ligne Ll sur une largeur comprenant trois voxels. Chaque point étendu correspond ainsi à un voxel distinct dans le sous-volume SS-VOL. La figure 5B illustre un exemple de points étendus représentés par des croix et désignés par Pextl obtenus pour un point de référence PRefl.
L'extension réalisée est parallèle en tout point de de référence choisi sur la ligne Ll à la direction de la ligne Ll en ce point de référence, de sorte que cette extension en largeur créée en quelque sorte une bande de largeur sensiblement égale à I sensiblement centrée sur la ligne Ll (il est possible que la bande ne soit pas exactement centrée sur la ligne Ll en raison de la discrétisation en voxels et suivant où se trouve la ligne neutre Ll du traceur par rapport au centroïde du voxel par lequel elle passe), et suivant, en tout point de référence de la ligne Ll, la direction (Le. l'orientation) de la ligne Ll.
La même opération est réalisée ici par le module d'extension 5C sur l'épaisseur e des chips (non représentée sur la figure 5B).
Le module 4D d'association associe ensuite à chaque point étendu obtenu Pextl et associé à un point de référence Prefl de la ligne Ll, une orientation parallèle à la direction (i.e. à l'orientation) de la ligne Ll en ce point de référence Prefl (étape E60). Les orientations ainsi associées à chaque point étendu issu de la ligne Ll sont représentées sur la figure 5B par des flèches.
Les modules 4C d'extension et 4D d'association procèdent de la même façon pour chaque ligne contenue dans le sous-volume défini par la boîte glissante positionnée à la position POSn, et notamment pour la ligne L2 comme illustré à la figure 5C. On note que certains points étendus peuvent être associés à une pluralité d'orientations correspondant à des lignes distinctes. C'est le cas par exemple sur la figure 5C des points auxquels sont associés deux flèches, une flèche représentant l'orientation de la ligne Ll et une flèche représentant l'orientation de la ligne L2.
Puis, le module 4E d'évaluation du dispositif 4 de détermination évalue pour chacun des points étendus obtenus une orientation moyenne des chips en ces points (étape E70). Cette orientation moyenne est obtenue ici en moyennant les orientations associées à ces points pour les différentes lignes traitées par les modules 4C et 4D. La figure 4D illustre par une flèche discontinue, pour chaque point étendu, l'orientation moyenne obtenue. On note sur cette figure que lorsqu'un point étendu correspond à une unique ligne, son orientation moyenne est confondue avec l'orientation qui lui a été associée pour cette ligne, la moyenne étant réalisée dans ce cas de figure sur un seul terme.
Le module 4F de détermination du dispositif 4 de détermination, détermine ensuite, pour chaque orientation moyenne obtenue, la proportion de points étendus (voxels ici) ayant cette orientation moyenne dans le sous-volume défini par la boîte glissante en position POSn (étape E80). Cette proportion est égale, pour chaque orientation moyenne, au nombre de points étendus ayant cette orientation moyenne sur le nombre total de points étendus obtenus pour le sous-volume considéré.
La proportion ainsi obtenue fournit une indication de la proportion d'éléments de fibres, localement dans le sous-volume, dans chaque direction de l'espace correspondant à une orientation moyenne obtenue.
Puis le dispositif 4 de détermination déplace la boîte glissante sur une autre position POSn+1, de sorte ici à balayer l'ensemble du volume de la pièce aéronautique 2 (réponse oui à l'étape test E90), et réitère les étapes E40 à E80 précédemment décrites sur le sous-volume nouvellement défini par la boîte glissante lorsque celle-ci est positionnée à la position POSn+1.
On note que dans un autre mode de réalisation, seules les étapes E50 et E60 sont mises en œuvre au moyen de la boîte glissante, les autres étapes étant réalisées sur le volume entier de la pièce en agrégeant les informations obtenues pour chaque boîte glissante.
Lorsque tout le volume de la pièce a été balayé (réponse non à l'étape test E90), le dispositif 4 de détermination, par le biais de son module 4F de détermination, détermine les orientations principales des chips enchevêtrés dans la pièce aéronautique 2 et les proportions de chips ayant ces orientations (étape E100). A cet effet, il agrège les informations obtenues aux étapes E80 pour les différentes positions POSl,...,POSN prises par la boîte glissante, en tenant compte d'éventuels recouvrements lors du déplacement de la boîte glissante (une moyenne peut alors être réalisée sur les proportions obtenues concernées par les recouvrements permettant de lisser les valeurs obtenues).
Dans l'exemple envisagé ici, les différentes positions ne prévoyant aucun recouvrement, il suffit à cet effet au module 4F de détermination de prendre en compte les orientations moyennes évaluées pour chaque sous-volume défini par la boîte glissante, et les proportions de points étendus déterminées associées à ces différentes orientations moyennes (typiquement en moyennant pour une même orientation moyenne, les proportions obtenues pour chacun des sous-volumes).
Le module 4F de détermination extrait de ces orientations moyennes et des proportions associées, les orientations principales des chips dans la pièce aéronautique 2, et les stockent ici, en association avec les proportions de chips ayant ces orientations principales, dans un tenseur d'orientation (étape El 10). De façon connue, un tel tenseur d'orientation fournit une description de la distribution des orientations dans un volume sous la forme d'une matrice de dimensions 3x3. Les vecteurs propres de cette matrice représentent les directions principales des orientations, tandis que les valeurs propres de la matrice caractérisent le taux (i.e. la proportion) d'éléments (ici de chips) ayant ces directions. Une telle description permet avantageusement une représentation graphique des orientations des chips de la pièce aéronautique au moyen d'ellipsoïdes dont les axes sont déterminés à partir des vecteurs propres (direction des axes) et des valeurs propres (dimensions des axes).
Il est possible par ailleurs d'obtenir aisément de ce tenseur une cartographie des orientations des chips sur l'ensemble du volume de la pièce aéronautique 2. La figure 4E illustre une telle cartographique pour l'aube représentée sur la figure 4A. Sur cette cartographie, l'usage du gris foncé dénote une distribution orientée des copeaux de fibres alors que l'usage du gris clair dénote une distribution isotrope des copeaux de fibre.
On note, que dans le mode de réalisation décrit ici, des marqueurs ou traceurs sont portés par tout ou partie des chips enchevêtrés dans la pièce aéronautique 2. La présence de ces marqueurs facilite, comme il apparaît à la lecture de ce qui précède, l'extraction des lignes représentatives des chips.
Toutefois, l'invention s'applique également lorsque de tels marqueurs ne sont pas présents sur les chips. Dans ce cas, le module 4B d'extraction 4B ne réalise pas de seuillage de l'image IM (autrement dit il ne met pas en œuvre les étapes E20 et E30 précédemment décrites), mais procède directement à une squelettisation de l'image IM, selon l'une quelconque des techniques introduites précédemment ou en utilisant les gradients de l'image IM, de sorte à déterminer les frontières de chaque chip représenté sur l'image IM. On note que cette squelettisation est facilitée par le fait que les frontières des chips sont généralement plus riches en résine que le reste des chips, et ont donc une densité différente par rapport à l'intérieur des chips. On obtient donc à l'issue de cette squelettisation des surfaces fermées délimitant les chips.
Puis, à partir de ces surfaces fermées (frontières) délimitant les chips, le module 4B d'extraction extrait une ligne « moyenne » (ligne neutre se trouvant au centre des surfaces ainsi délimitées et correspondant à la direction de plus grande longueur de chaque surface, en supposant que les chips ne sont pas de forme carrée) représentative de chaque chip. Les étapes E40 à El 10 sont ensuite appliquées sur les lignes ainsi extraites de l'image IM.
On note que dans le mode de réalisation décrit ici, une image tomographique en trois dimensions de la pièce aéronautique 2 a été utilisée, et une extension en largeur et en épaisseur conformément aux dimensions des copeaux a été réalisée.
Toutefois, comme indiqué précédemment, une telle image tomographique en trois dimensions n'est pas toujours adaptée pour certains matériaux composites ou certaines pièces aéronautiques (typiquement, lorsque les pièces sont fines et de grandes dimensions comme un capot par exemple). Dans ce cas, il est toujours possible d'appliquer l'invention en utilisant une image en deux dimensions de la pièce, obtenue par exemple par radiographie de la pièce. En outre, il est possible lors de l'étape E50 de ne procéder qu'à une extension dans le sens de la largeur des lignes représentatives des copeaux de fibre extraites de l'image, notamment lorsque l'épaisseur des chips est négligeable par rapport à ses autres dimensions. En effet, dans le cas des pièces fines et de grandes dimensions précitées, on peut faire l'hypothèse que les copeaux de fibre sont plans (même si leur orientation dans le plan peut varier le long de la ligne moyenne). Cette hypothèse est d'autant mieux vérifiée que les copeaux de fibre sont fins, et présentent une forme de type languette (i.e. copeaux très fins présentant une dimension supérieure à l'autre dans le plan) ou de type fil (comme pour les matériaux BMC par exemple). Cette hypothèse s'applique de façon privilégiée aux copeaux de fibre pour lesquels un ratio d'au moins 10 à 100 entre la plus grande et la plus petite dimension existe.
Comme mentionné précédemment, les orientations des chips de la pièce aéronautique 2 ainsi déterminées par le dispositif 4 de détermination à partir de l'image tomographique IM permettent au système CND 1 de mettre en oeuvre un contrôle non destructif sur la pièce aéronautique 2.
La figure 6 illustre les principales étapes d'un procédé de contrôle non destructif mises en œuvre par le système CND 1 illustré à la figure 1 dans un mode particulier de réalisation.
Conformément à ce procédé, une image tomographique de la pièce aéronautique 2 (par exemple l'image IM décrite précédemment) est acquise par le système d'imagerie numérique 3 (étape F10). Cette image IM est, comme décrit précédemment, une image numérique codée en niveau de gris en trois dimensions, chaque voxel de l'image représentant la densité de matériau de la pièce aéronautique 2 en le point représenté par le voxel.
Cette image IM est fournie au dispositif 4 de détermination des orientations. Le dispositif 4 de détermination détermine à partir de l'image IM les orientations des chips enchevêtrés dans le matériau constituant la pièce aéronautique 2 conformément au procédé de détermination décrite précédemment en référence aux figures 3 à 5. Les orientations ainsi déterminées sont fournies, par exemple sous la forme d'un tenseur d'orientation, au dispositif 5 de contrôle.
Le dispositif 5 de contrôle procède à un contrôle non destructif sur la pièce aéronautique 2 en utilisant les orientations ainsi fournies (étape F30).
Ce contrôle peut prendre différentes formes.
Ainsi les orientations ainsi déterminées peuvent être fournies en entrée d'un modèle numérique permettant de reconstruire un volume élémentaire représentatif (ou VER) de la microstructure du matériau de la pièce aéronautique 2, tel que décrit dans le document WO 2015/185840. Un tel modèle numérique alimenté avec des données d'orientations réelles extraites de la pièce 2 elle-même conformément à l'invention, plutôt qu'avec une statistique moyenne, offre une représentation très réaliste de la pièce 2. Cette représentation, analysée par éléments finis, permet alors avantageusement de prédire de manière fiable les propriétés mécaniques (ex. rigidité, propriétés de rupture, etc.) de la pièce en tout point de celle- ci. Grâce à ce modèle, la pièce réelle peut ainsi être validée au moyen d'un contrôle non destructif au lieu de nécessiter un essai mécanique sur la pièce comme cela est le cas aujourd'hui.
Une autre forme de contrôle non destructif réalisé par le dispositif 5 de contrôle peut consister à estimer la variation des orientations de pièces sortant de production par rapport à des orientations nominales (et une variabilité nominale) utilisées lors de la conception de la pièce. Pour ce faire, le dispositif 5 de contrôle peut évaluer une norme de la différence entre le tenseur d'orientation fourni par le dispositif 4 de détermination (ex. pour l'ensemble de la pièce ou pour chaque sous- volume défini par la boîte glissante dans une position donnée) et le tenseur des orientations nominales. Ce type de contrôle permet de s'assurer de la répétabilité du procédé de fabrication de la pièce aéronautique.
Une autre forme de contrôle non destructif encore peut consister à détecter des dérogations pouvant apparaître au cours de la fabrication d'une pièce, comme par exemple une répartition anormale localement des orientations des chips, l'apparition de porosité ou d'indication comme des inclusions métalliques.
Bien entendu, d'autres contrôles encore peuvent être envisagés à partir des orientations fournies par le dispositif 4 de détermination selon l'invention. La technique de détermination des orientations fournies par l'invention est une technique logicielle permettant un gain de temps substantiel et une facilité de réalisation par rapport aux techniques de contrôles existant aujourd'hui basées essentiellement sur des essais mécaniques réalisés sur pièces. L'incertitude des contrôles effectués sur les pièces en est ainsi réduite, ce qui permet de minimiser les risques tout en allégeant les structures nécessaires à ces contrôles. L'invention permet en outre avantageusement de démontrer aisément la répétabilité du procédé de fabrication des pièces.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de détermination des orientations d'éléments de fibres assemblés dans une pièce (2) réalisée en matériau composite, lesdits éléments de fibres ayant une forme initiale caractérisée par une longueur, une largeur et une épaisseur, ledit procédé comprenant :
— une étape d'obtention (E10) d'une image (IM) de la pièce, chaque pixel de l'image représentant une densité de matériau en un point de la pièce représenté sur l'image par ce pixel ;
— une étape d'extraction (E30) de l'image, pour au moins un élément de fibre de la pièce, d'une ligne représentative de cet élément de fibre sur sa longueur dans la pièce ;
— pour chaque ligne extraite de l'image :
o une étape d'extension (E50) en largeur de cette ligne en une pluralité de points dits de référence de ladite ligne, conformément à la largeur de l'élément de fibre dont la ligne est représentative, ladite extension résultant pour chaque point de référence en une pluralité de points dits étendus associés à ce point de référence ;
o une étape d'association (E60), à chaque point étendu associé à un point de référence, d'une orientation parallèle à une direction de la ligne en ce point de référence ;
— une étape d'évaluation (E70) pour une pluralité de points étendus, d'une orientation moyenne des éléments de fibres en ces points à partir des orientations associées à ces points étendus ; et
— une étape de détermination (E100), pour une pluralité d'orientations des éléments de fibres, d'une proportion d'éléments de fibres ayant ces orientations à partir des orientations moyennes ainsi évaluées.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel l'image de la pièce est une image en trois dimensions et l'étape d'extension comprend en outre une extension en épaisseur de la ligne en ladite pluralité de points de référence, conformément à l'épaisseur de l'élément de fibre dont la ligne est représentative.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel :
— tout ou partie des éléments de fibres assemblés dans la pièce portent des marqueurs suivant la longueur des éléments de fibre ;
— l'étape d'extraction comprend un seuillage de l'image réalisé au moyen d'un seuil défini à partir d'une densité de matériau desdits marqueurs, ledit seuillage résultant en une image représentant lesdits marqueurs ; et
— les lignes sont extraites à partir des marqueurs représentés sur l'image résultant du seuillage.
4. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel l'étape d'extraction comprend la détermination de frontières de chaque élément de fibre de la pièce, les lignes représentatives des éléments de fibres étant extraites à partir des frontières ainsi déterminées.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel au moins les étapes d'extension (E50) et d'association (E60) sont mises en œuvre en utilisant une boîte glissante définissant un sous- volume de dimensions prédéfinies et déplacée sur tout ou partie de la pièce.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel les orientations des éléments de fibres et les proportions d'éléments de fibres ayant ces orientations moyennes sont stockées (El 10) dans un tenseur d'orientation.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dans lequel l'image de la pièce est une image tomographique ou radiographique.
8. Programme d'ordinateur comportant des instructions pour l'exécution des étapes du procédé de détermination selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 lorsque ledit programme est exécuté par un ordinateur.
9. Support d'enregistrement lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un programme d'ordinateur comprenant des instructions pour l'exécution des étapes du procédé de détermination selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.
10. Procédé de contrôle non destructif appliqué à une pièce (2) en matériau composite, ledit matériau composite comprenant un assemblage d'éléments de fibres, ledit procédé de contrôle comprenant :
— une étape d'acquisition (F10) au moyen d'un système d'imagerie numérique (3), d'une image (IM) de la pièce, chaque pixel de l'image représentant une densité de matériau en un point de la pièce représenté sur l'image par ce pixel ;
— une étape de détermination (F20) des orientations des éléments de fibres de la pièce mettant en œuvre un procédé de détermination selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 ; et
— une étape de contrôle non destructif (F30) réalisée sur la pièce utilisant les orientations ainsi déterminées.
11. Procédé de contrôle non destructif selon la revendication 10 dans lequel ladite pièce est une pièce aéronautique.
12. Dispositif de détermination (4) des orientations d'éléments de fibres assemblés dans une pièce réalisée en matériau composite, lesdits éléments de fibres ayant une forme initiale caractérisée par une longueur, une largeur et une épaisseur, ledit dispositif comprenant :
— un module d'obtention (4A), apte à obtenir une image de la pièce, chaque pixel de l'image représentant une densité de matériau en un point de la pièce représenté sur l'image par ce pixel ;
— un module d'extraction (4B), configuré pour extraire de l'image, pour au moins un élément de fibre de la pièce, une ligne représentative de cet élément de fibre sur tout ou partie de sa longueur dans la pièce ;
— un module d'extension (4C), configuré pour étendre en largeur chaque ligne extraite de l'image en une pluralité de points dits de référence de ladite ligne, conformément à la largeur de l'élément de fibre dont la ligne est représentative, ladite extension résultant pour chaque point de référence en une pluralité de points dits étendus associés à ce point de référence ;
— un module d'association (4D), configuré pour associer à chaque point étendu associé à un point de référence d'une ligne extraite de l'image, une orientation parallèle à une direction de la ligne en ce point de référence ;
— un module d'évaluation (4E), configuré pour évaluer pour une pluralité de points étendus, une orientation moyenne des éléments de fibres en ces points à partir des orientations associées à ces points étendus ; et — un module de détermination (4F), configuré pour déterminer, pour une pluralité d'orientations des éléments de fibres, une proportion d'éléments de fibres ayant ces orientations à partir des orientations moyennes ainsi évaluées.
13. Système de contrôle non destructif (1) destiné à être utilisé pour contrôler une pièce en matériau composite, ledit matériau composite comprenant un assemblage d'éléments de fibres, ledit système de contrôle comprenant :
— un système d'imagerie numérique (3), configuré pour acquérir une image de la pièce, chaque pixel de l'image représentant une densité de matériau en un point de la pièce représenté sur l'image par ce pixel ;
— un dispositif de détermination (4) des orientations des éléments de fibres de la pièce selon la revendication 12 ; et
— un dispositif de contrôle (5) de la pièce configuré pour utiliser les orientations ainsi déterminées.
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