Le contrôle des pièces par tomographie aux rayons X

Porosités dans une pièce en aluminium moulé (support de pompe en fonderie)

Contrôle des porosités par tomographie aux rayons X sur une pièce en aluminium moulé (taux de porosité, taille et position en XYZ des pores). (Crédit : GE)

La tomographie industrielle – encore appelée CT Scan (Computed Tomography) – dérivée des technologies médicales (scanner, IRM), commence à se répandre dans l’industrie. Cette technologie de contrôle non destructif permet une visualisation en 3D de l’intérieur comme de l’extérieur de pièces d’une grande complexité géométrique. Il faut distinguer les micro-tomographes utilisés en R&D, qui offrent une très bonne résolution (1 à 20 µm) sur des échantillons ou des éprouvettes de faible taille, des tomographes de production qui permettent de scanner des pièces entières (200 x 200 x 500 mm) mais avec un niveau de résolution moindre (100 µm à 200 µm).

Principe de la tomographie

Principe de la tomographie aux rayons X d'une pièce métallique

Principe de la tomographie aux rayons X pour le contrôle des pièces (santé interne et dimensionnel).

Comme la radiographie (en deux dimensions), la tomographie est basée sur l’absorption différentielle des rayons X en fonction de la densité de matière mais elle exploite un grand nombre de vues réalisées suivant différents angles par rotation de l’objet et suivant plusieurs positions en hauteur. Les différentes vues permettent de déterminer l’absorption de chaque élément de volume appelé « voxels » et ainsi de reconstituer l’objet en trois dimensions. Il est alors possible d’obtenir plusieurs représentations du volume de l’objet, dont la visualisation sous forme de coupes virtuelles. Cette représentation est la plus conventionnelle et la plus pratique pour déterminer des taux de porosités ou mesurer des discontinuités. Pour examiner la totalité du volume, il suffit de faire défiler à l’écran les coupes 2D.

La tomographie en R&D

La micro-tomographie (ou la nano-tomographie) permet l’analyse fine des microstructures de matériaux exotiques (composite à matrice métallique, mousse métallique, alliage semi-solide) ou la détection et la reconstruction de la géométrie de défauts internes à des fins de calcul de structure pour quantifier par exemple l’impact des imperfections sur la tenue mécanique.

La tomographie dans l’automobile et l’aéronautique

La tomographie permet de localiser et de quantifier les défauts internes, mais également de réaliser le contrôle géométrique de pièces prototypes. En particulier, des zones internes noyautées, très complexes géométriquement, peuvent être contrôlées sans examens destructifs. La tomographie est utilisée majoritairement en phase de développement et de qualification dans un contexte automobile sur des pièces en aluminium (culasse, bloc moteur, piston, support de pompe, carter de BV, …) et en aéronautique. De nombreux autres domaines industriels à haute valeur ajoutée s’y intéresse également.

Les applications industrielles

L’analyse santé matière consiste en la recherche de défauts, de retassures, de porosités, de criques ou autres anomalies que peuvent comporter les pièces et produits fabriqués. L’analyse santé matière peut mettre en évidence des réseaux de porosités à l’origine de fuites ou encore des criques placées dans les zones mécaniquement contraintes.

Les données de la tomographie permettent également les contrôles dimensionnels et notamment la mesure de l’épaisseur de paroi, de diamètre, rayon, taille d’anomalie, distance entre deux points ou parois. La tomographie est également un outil de vérification du procédé de fabrication mettant en évidence les déports de noyaux, les toiles « trop » fines ou autres anomalies d’assemblage.

Quantifier des porosités

La santé interne des pièces moulées est aujourd’hui principalement appréciée par radiographie. Celle-ci produit des images du volume projeté sur un plan. Les pièces moulées étant par définition de formes complexes, il est souvent difficile de visualiser les discontinuités parmi les nombreuses variations d’épaisseurs ou les projections de parois et le positionnement dans l’épaisseur n’est pas possible. Cela peut conduire à rebuter une pièce alors que la retassure se situe dans la fibre neutre et n’aura pas d’influence sur sa durée de vie en service.

Visualisation et quantification des porosités internes

Visualisation et quantification (taille et répartition des pores, position en XYZ) des porosités internes (crédit Volume Graphics)

A l’inverse, de petites indications situées en zone superficielle conformes aux cahiers des charges client, peuvent conduire un abattement de plus de 30 % des résistances à la fatigue. Avec la tomographie, il est possible de savoir si les discontinuités vont partir à l’usinage ou déboucher en surface ou si elles se situent dans une zone désignée dangereuse pour la tenue mécanique de la pièce. Pour faciliter la visualisation de la position des porosités, la matière est rendu transparente, seuls les contours de la pièce et les porosités sont visibles. Avec un code couleur, les porosités qui vont déboucher à l’usinage, celles qui sont éliminer avec les copeaux et enfin celles qui restent internes sont très facilement identifiées.

Contrôle des structures lattices

Contrôle de la santé interne et de la géométrie de structures lattices

Le contrôle de la santé interne ou de la géométrie des structures lattices (fonderie, fabrication additive) est très complexe en radiographie alors qu’il est réalisable en tomographie.

L’exemple caractéristique de la puissance de la tomographie par rapport à la radiographie est l’examen des structures lattices issues de fonderie ou de fabrication additive. En radiographie traditionnelle, l’image est floue, les porosités se superposent et il est impossible de déterminer la dimension des pores. A l’inverse, les coupes tomographiques donnent des images nettes qui permettent d’accéder à des données précises sur la dimension des pores et leur distribution.

Recherche des causes d’un défaut d’étanchéité sur une pièce industrielle

Identification d'une zone de pièce avec un défaut d'étanchéité

Identification d’une zone de pièce avec un défaut d’étanchéité (micro-tomographe) sur une pièce industrielle de série fuyarde.

La tomographie aux rayons X permet, également, le suivi de discontinuités dans le volume. Cette application est très utile pour rechercher la cause d’un défaut d’étanchéité. Les logiciels de traitement d’image en tomographie proposent une application permettant de vérifier si un chemin de fuite existe. Le principe est de placer un germe dans une zone de niveaux de gris plus élevés que le reste de la pièce et de le faire propager tant qu’il reste dans une certaine gamme de niveaux de gris. Si le germe se propage jusqu’à la paroi opposée, la pièce est fuyarde et le chemin de fuite est identifié.

Inspecter des pièces réalisées en fabrication additive

Enfin, pour vérifier la sante interne des pièces obtenues par fabrication additive, la tomographie est la seule technologie possible, à la condition de prendre de très haute résolution (en dessous de 10 µm) car les porosités ont classiquement des tailles comprises entre 10 et 100 µm. Ces porosités sont soient débouchantes, soit situées dans les zones superficielles. On y détecte également des inclusions provenant de la poudre mal filtrée au départ.

Réaliser des contrôles dimensionnels

Outre les applications de santé-matière, la tomographie offre également la possibilité de réaliser des contrôles dimensionnels de différents types. Malgré des résolutions moins importantes que des machines tridimensionnelles classiques (quelques µm), la tomographie permet d’accéder aux faces cachées des pièces complexes, comme les culasses de moteurs. Il est alors possible, à l’aide de logiciels d’analyse adaptés, de comparer la forme interne de la pièce avec la CAO originale, de mesurer les épaisseurs de parois ou encore de vérifier la conformité de certaines cotes par rapport au plan.

Contrôle dimensionnel sur une culasse en aluminium par CT Scan

Contrôle dimensionnel sur une culasse en aluminium par CT Scan (crédit photo : Montupet).

Un exemple de comparaison 3D avec la CAO est donné sur une culasse en aluminium. Après superposition du volume scanné avec la CAO de référence, un calcul des écarts dimensionnels entre les 2 volumes est réalisé. Le résultat est donné sous forme de code couleur directement appliquée sur le volume 3D et sur les coupes 2D. L’incertitude de mesure dimensionnelle sur les micro-tomographes est généralement égal à un centième de la longueur (mesurée en millimètre) auquel s’ajoute une erreur systématique de quelques micromètres (typiquement entre 2,5 µm et 10 µm selon les équipements). Bien que ce type d’incertitude ne s’applique pas directement à toutes les analyses dimensionnelles, il permet aujourd’hui de mieux encadrer ces dernières.

Les freins à l’adoption de la tomographie

Plusieurs freins existent cependant pour faire de la tomographie un contrôle aussi normalisé et au même prix que la radiographie. Tout d’abord, le prix d’un tomographe reste plus élevé qu’une cabine équipée des mêmes tubes X (et détecteurs numériques) car il faut y ajouter une mécanique de précision ainsi qu’un module de reconstruction d’images et de corrections des artéfacts. Ensuite, contrairement à la radiographie, il est fortement recommandé d’investir dans un logiciel d’analyse d’image (entre 10 k€ et 50 k€ selon les fonctionnalités proposées) afin de bénéficier de tous les avantages offerts par la reconstruction 3D.

Ces logiciels nécessitent malgré tout quelques compétences en traitement d’image pour être utilisé efficacement. Les temps d’acquisition, de reconstruction et d’analyse – même s’ils sont en diminution constante au fil des années – restent d’une manière générale bien supérieurs à un contrôle radiographique, interprétation comprise des clichés. Enfin, les normes « produits » des pièces de fonderie contrôlées par radiographie n’ont pas encore été transposées en tomographie. Des critères spécifiques à la tomographie restent à établir sans chercher une corrélation entre la classe des porosités, déterminées par une comparaison avec des clichés de référence en radiographie (ASTM), et le taux de porosités que l’on peut calculer numériquement en tomographie.

Une technologie en croissance

Malgré ces contraintes, la production de pièces de série en alliage léger devrait, dans les années à venir, intégrer de plus en plus des tomographes comportant des systèmes automatisés de reconnaissance de défauts. De plus, de très nombreux constructeurs de cabines de radiographie numérique propose une option -qui si elle prise à l’origine- permet rétrospectivement de rétrofiter une installation de radiographie en tomographie si le besoin s’en fait sentir.

Contrôle en ligne par tomographie pour la santé interne et le contrôle dimensionnel des pièces industrielles

Contrôle en ligne par tomographie pour la santé interne et le contrôle dimensionnel des pièces industrielles (Speed Scan CT de GE).

Les constructeurs de matériel développent et proposent des tomographes en ligne qui permettraient un contrôle de série (100 % des pièces) de pièces à haute valeur ajoutée.

En revanche, le développement des techniques tomographiques pour la production des pièces en alliages ferreux ou cuivreux nécessite encore d’autres progrès technologiques, aussi bien pour les sources de rayonnement (à micro foyer et à haute énergie) que pour les détecteurs (de dimensions plus faibles et capables de supporter des rayonnements durs).

3 commentaires

  1. Elotmani says

    Bonjour,
    Merci pour l’article, le contenu est très intéressant.
    Petite question : est ce que ce CND est limité par l’épaisseur de la pièce? Jusqu’à quelle épaisseur peut on utiliser ce moyen de contrôle ?
    Merci pour votre réponse.

    • Le métallonaute
      Le métallonaute says

      Bonjour Boubker,
      Merci pour votre avis sur le contenu de l’article. C’est vrai que la tomographie intéresse beaucoup les industriels. Pour preuve, les 100 participants à la journée MetalDays que CTIF organisait à Lyon le 13 décembre dernier sur la radiographie et tomographie (exposés techniques, table ronde, ateliers thématiques). Pour répondre à votre question: Oui ce CND a des limitations en termes d’épaisseur de pièces. Comme pour un système de radiographie, plus l’épaisseur traversée et la densité de la pièce sont élevées et plus la source de rayons X doit être puissante. Cela dépend également de la résolution recherchée et de la taille du foyer utilisé. Ainsi, avec un tomographe de 225 kV, on traverse 50 mm d’aluminium et seulement 25 mm d’acier alors qu’un tomographe de 450 kV on peut contrôler 300 mm d’aluminium et 60 mm d’acier.

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