UNE TECHNOLOGIE DE POINTE POUR L'INSPECTION DES PIÈCES COMPOSITES

Le 10/07/2020 à 0:00  

'unité Composites de l'AMRC (Advanced Manufacturing Research Centre) de l'uni­versité de Sheffield, en Angleterre, est une struc­ture moderne qui effectue des travaux de recher­che et de développement liés à la fabrica­tion avancée de pièces composites. Située dans une annexe de l'usine du futur de l'AM­RC à Rotherham, cette unité réalise des recherches en relation avec la fabrication et l'usinage de composants composites, no­tamment de pièces hybrides associant des métaux et matériaux composites de haute performance dans la même structure. Dans le cadre de son activité quotidienne, l'unité Composites de l'AMRC applique des métho­des à la pointe du progrès pour réaliser des composants ultra-légers à partir de maté­riaux composites de nouvelle génération. Ces derniers sont de plus en plus utilisés dans l'aéronautique, l'industrie automobile et ma­rine, ainsi que dans d'autres secteurs à forte valeur ajoutée, en raison de leur haute résis­tance et de leur légèreté. Ces excellentes per­formances ont cependant un coût, car la fa­brication de ces matériaux de pointe présente de grands défis.

Hexagon Le scanner laser RS5 est utilisé pour créer un modèle 3D de la pièce sur lequel l'orientation des fibres peut être reproduite.

Les composites sont constitués de couches superposées de fibres unidirectionnelles ou de textiles tissés, durcies pour former une pièce finale solide. Il est possible d'agencer de différentes façons des fibres en couches pour obtenir une pièce, chaque étape impli­quant l'utilisation d'un équipement à haut degré d'automatisation, tel que des systèmes de placement automatisé de fibres (AFP, Automated Fiber Placement) ou des systèmes de tressage robotisés.

CONTRÔLER LA QUALITÉ DES COMPOSITES

La robustesse d'un élément composite dépend étroitement de l'alignement correct des fibres dont il est constitué. L'orientation joue donc un rôle essentiel. Des fibres mal positionnées peuvent entraîner des défauts affectant l'intégrité structurelle de la pièce finale. Il est bien plus efficace et économique de détecter de tels défauts – notamment des trous, des chevauchements ou la présence de résidus et de corps étrangers – à un stade précoce, plutôt que de constater des anomalies sur un composant déjà fabriqué. Par conséquent, le contrôle qualité pendant le placement des fibres revêt une impor­tance primordiale. L'inspection des fibres posées doit se faire après la mise en place de chaque couche pour vérifier que l'orienta­tion des fibres reste conforme aux paramètres définis. Comme les éléments composites de structures épaisses pour l'aéronautique et l'automobile sont constitués de dizaines de couches, ces contrôles peuvent prendre du temps, surtout avec une méthode d'inspec­tion classique où la vérification est visuelle, avec une loupe.

Hexagon L'Absolute Arm à 7 axes et le système Vision 3D d'Hexagon Manufacturing Intelligence en action dans l'atelier de fabrication du centre de recherche sur les composites de l'AMRC.

Le capteur du système Vision 3D peut détecter rapidement l'orientation des fibres avec une haute précision. Il est conçu pour analyser des composants composites semi-finis, en permettant une correction précoce des défauts pendant la phase de fabrication.

Zeeshan Qureshi (voir photo ci-dessus), ingénieur de recherche principal de l'équipe Analyse de conception et d'automatisation des composites au centre de recherche sur les composites de l'AMRC, estime que cette inspection manuelle représente 70 % du temps machine total, voire plus. « Comme cette tâche engendre des coûts élevés pour nos partenaires, nous étudions des systèmes d'inspection automatisés intégrés qui pour­raient réduire nettement, voire éli miner complètement l'inspection manuelle pour rendre le processus de fabrication plus productif », souligne Zeeshan Qureshi.

L'activité de base du centre de recherche sur les composites est liée à l'élaboration de nouvelles solutions pour des entreprises industrielles de toutes tailles à l'échelle mondiale. « Notre clientèle est très variée. Elle comprend de grandes entreprises aérospa­tiales, comme Airbus, Boeing, Rolls Royce et BAE Systems, mais aussi des constructeurs automobiles, tels que McLaren et Toyota Motorsport, précise Zeeshan Qureshi. Elle ne se limite cependant pas à des équipemen­tiers ou à des fournisseurs de rang 1 ou 2. Nos prestations s'adressent aussi à des PME locales que nous aidons à résoudre leurs problèmes de fabrication et de conception, et à devenir plus compétitives sur leur marché. »

CHOIX DU SYSTÈME D'INSPECTION

Le groupe suédois Hexagon, dont la division Manufacturing Intelligence fournit des solu­tions qui utilisent des données de concep­tion et d'ingénierie, de production et de métrologie pour rendre la fabrication plus intelligente, contribue à fournir à ces acteurs de nouvelles solutions de pointe grâce à ses systèmes d'inspection de composites. Dans ce domaine, l'unité Composites du centre AMRC a commencé par réaliser une étude de marché des systèmes d'inspection utilisés avec succès dans la fabrication de matériaux composites, en travaillant en étroite collab­oration avec d'autres groupes au sein de l'AMRC, ainsi qu'avec des partenaires commerciaux. Cette étude préliminaire a attiré son attention sur les performances de l'Absolute Arm du fabricant suédois et de ses différents modules de scanner laser.

La commutation entre le scanner laser et le capteur du système Vision 3D s'effectue très rapidement et sans calibrage.

Le logiciel Explorer 3D permet une analyse facile de la géométrie de la pièce ainsi que de l'orientation des fibres.

« Nous avons constaté qu'Hexagon avait conçu un système d'inspection de compos­ites spécialisé dans la mesure de l'orien­tation des fibres qui pouvait résoudre, à notre avis, un certain nombre de problèmes d'inspection », indique Zeeshan Qureshi. Hexagon a rapidement pu mettre un tel système à la disposition du centre en vue d'une étude d'application.

Cet équipement comprenait le bras Absolute Arm 7  axes, le scanner laser RS5 et le système Vision 3D. Le système Vision 3D est un capteur basé sur une caméra, qui détecte avec précision l'orientation des différentes fibres composites et utilise ensuite l'Absolute Arm pour référencer les positions. Combinées avec les scans du scanner laser du bras de mesure, ces données d'orientation des fibres peuvent être intégrées dans un modèle tridi­mensionnel de la pièce inspectée avec le logiciel Explorer 3D.

LE PROCESSUS EN DÉTAIL

L'équipe a rapidement réussi à installer le système pour effectuer des contrôles d'as­surance qualité dans le cadre de la fabrica­tion de pièces composites, principalement en rapport avec l'orientation des fibres des pièces composites. « Le système nous permet de valider nos conceptions et nos simulations pour que la pièce fabriquée soit conforme au but du développement. C'est donc une bonne étape de validation pour notre processus de conception et de fabrication », se réjouit Zeeshan Qureshi. Et M.  Qureshi de détailler le processus : « Nous utilisons principalement ce système pour le tissage et le tressage, de même qu'après le processus de préformage. Ces opérations peuvent inclure le tissage ou formage final 2D, 2,5D et 3D de tissus secs avec des méthodes thermomécaniques. Après cette première phase, nous pouvons placer la pièce sur la station de travail et la scanner avec le nouveau système d'inspection de manière à générer un profil 3D de cette pièce. Ensuite, nous réalisons des images de la surface que nous venons de scanner. Au moyen des algo­rithmes avancés du logiciel, nous pouvons déterminer l'orientation des fibres, ce qui peut nous renseigner sur certains défauts de la pièce, le cas échéant. Nous pouvons alors intégrer cette information dans notre logiciel de conception et d'analyse pour actualiser nos modèles avec les données de la pièce fabriquée dans cet état, afin d'effectuer une analyse et de comparer le résultat avec la pièce modèle. Ce traitement nous fournit de précieuses données pour comparer nos envi­ronnements de travail “réel”» et “virtuel”. »

Mais le processus ne s'arrête pas là. Il est important d'intégrer ces données d'inspec­tion dans la fabrication pour améliorer les futurs cycles de production. « Dans un premier temps, nous pouvons essayer de corriger les programmes et de réduire ces défauts en effectuant une meilleure programma­tion. Mais, parfois, les défauts sont liés à la géométrie ou à l'état des matériaux. Ceux-là, on peut les réparer avec une procédure appro­priée, en enlevant des couches ou sections définies et en les reposant sur la surface », explique M.  Qureshi. Ce processus est suivi des phases de durcissement et de post-trait­ement. Ensuite, les pièces sont soumises à un contrôle non destructif pour déterminer si elles remplissent les paramètres d'assurance qualité définis.

DE L'INTÉRÊT DE LA CONVIVIALITÉ DES ÉQUIPEMENTS

Les algorithmes du système Vision 3D sont au cœur de cette solution phare pour l'AMRC. « Le logiciel Explorer 3D intègre un algorithme très élaboré et performant pour la détection des orientations de fibres. C'est très utile car le fait de connaître la précision de l'orientation des fibres de la pièce nous donne de précieuses informations pour nos conceptions et nous permet de déterminer la performance struc­turelle de la pièce fabriquée dans cet état, constate M.  Qureshi. Par ailleurs, le logiciel Explorer 3D s'interface sans difficultés avec d'autres logiciels. Très intuitif et facile à suivre, ce logiciel dispose d'une interface uti lisateur graphique très conviviale. »

La convivialité de l'Absolute Arm est un facteur très important pour le centre de recherche sur les composites, compte tenu de l'objectif de développer une solution pouvant être utilisée à grande échelle dans ce secteur. « C'était notre première expérience avec un système d'inspection métrologique interne, mais la formation au bras de mesure s'est révélée assez simple, et, surtout, nous avons pu utiliser rapidement toutes les parties de l'équipement, se félicite M. Qureshi. Presque toute l'équipe du centre des composites a accès à cet Absolute Arm et l'équipe Fibre sèche, formée de quinze personnes, utilise beaucoup ce système pour mesurer les orientations de fibres des pièces tissées ou tressées. Il est très facile d'emploi pour tout le monde. »

DES PROJETS EN NOMBRE

La collaboration entre le centre de recherche et Hexagon dans le domaine des systèmes d'in­spection de pointe promet d'être fructueuse à l'avenir. Grâce à sa coopération avec les ingénieurs d'application d'Hexagon dans ce secteur, l'AMRC a la possibilité d'influencer les développements du groupe suédois en matière de solutions d'inspection de compos­ites. « Nous espérons contribuer au dévelop­pement de nouveaux systèmes matériels et logiciels optimisés pour la détection de défauts complexes, dans le but de disposer bientôt d'une solution appropriée », note M.  Qureshi. La capacité du système Vision d'Hexagon à s'interfacer avec des systèmes automatisés est également prometteuse. « L'un des avantages de ce système est la possibilité d'intégrer le capteur dans d'autres machines de formage de composites, telles que les AFP, tresseuses, piqueuses ou autres tisseuses 2,5D ou 3D que nous utilisons dans notre centre. Cela nous permet de monter le système sur d'autres équipements de fabrication de composites en concevant des supports appropriés pour fixer le capteur. Nous pouvons alors commencer à effectuer une inspection pendant le processus de fabrication ou une inspection intégrée pour réduire le temps de contrôle global de nos partenaires », conclut M. Qureshi.

Article adapté par Pascal Coutance à partir d'une note d'application d'Hexagon

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