Démonstrateur COTRA - mesure temps réel de profondeur de traitement thermochimique sur pièces forgées.
Le Contrôle en Temps Réel Avancé (COTRA) de la profondeur de traitement thermochimique de pièces forgées offre des opportunités aux industriels de la forge pour mieux maîtriser leur process. Le COTRA peut avantageusement remplacer la mesure par filiation de microdureté.
Evolution des besoins des industriels
Une des évolutions actuelles des besoins des industriels et notamment des professionnels de la forge, est de tendre vers le contrôle à 100 % des pièces ou composants afin d’améliorer la traçabilité et de limiter les coûts de non-qualité. Le contrôle numérique à 100% dans le flux de production des pièces dans l’industrie n’en est qu’à son début. En revanche, l’évolution des technologies, notamment de contrôles non destructifs, rend maintenant possible des applications plus accessibles aux entreprises.
Dans cette étude, nous abordons un exemple de contrôle de traitement thermochimique de cémentation, de pièces forgées en acier, concrétisé par la réalisation d’un démonstrateur.
Contexte et enjeux industriels
Le traitement thermochimique de cémentation a pour but d’améliorer les caractéristiques mécaniques en surface des pièces forgées. Il modifie une couche superficielle de quelques dixièmes de millimètres à quelques millimètres ce qui améliore la résistance aux chocs, à la fatigue, ainsi qu’à l’usure. Afin d‘évaluer la qualité d’un traitement de cémentation, plusieurs caractéristiques telles que la dureté, l’épaisseur de la couche traitée et le taux de carbone en surface, sont à contrôler. En effet, ces trois caractéristiques sont complémentaires et les maîtriser permet de garantir la résistance à la fatigue et à l’usure des pièces forgées.
La méthode de référence utilisée aujourd’hui pour mesurer la profondeur et la dureté de la couche traitée est la filiation de microdureté (FMD). Il s’agit d’une méthode par prélèvement, destructive et très coûteuse pour les industriels. Par ailleurs, le temps de contrôle nécessaire est très long puisqu’il nécessite plusieurs étapes à savoir : la découpe, l’enrobage et le polissage.
La révolution numérique et l’évolution des capteurs entraînent un changement de paradigme en termes de contrôles qualité dans les usines. De ce fait, la mise au point de procédés innovants, associés à des outils de contrôle en ligne connectés devient plus que nécessaire pour réaliser la transformation technologique. Ces procédés innovants doivent permettre aux industriels une meilleure maîtrise de leurs procédés de fabrication. C’est dans ce cadre que le Cetim Grand Est a mis au point le démonstrateur COTRA.
L’intérêt technologique du démonstrateur est de disposer d’un outil de contrôle non destructif rapide en remplacement des méthodes classiques. Cette technologie devrait être facilement intégrable en ligne de production, mais aussi permettre aux industriels des gains de temps (mesure de quelques secondes, résultats obtenus en direct) et de réaliser des contrôles à 100%, facilement automatisable.
Le projet COTRA est un projet collaboratif cofinancé par la région Grand Est et le FEDER, réunissant les partenaires Cetim Grand Est et Holo 3.
Technologies utilisées pour le contrôle en ligne de la cémentation
L’objectif de la démonstration est de montrer le potentiel des technologies émergentes déclinées sur du contrôle qualité à 100% et en temps réel de la cémentation de pièces mécaniques de l’industrie automobile. Les contrôles avancés mis en œuvre dans la configuration présentée sont le 3MA, qui nous permet de mesurer la dureté et la profondeur de cémentation, et la Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) pour déterminer le taux de carbone.
Le 3MA (Micromagnetic Multiparameter Microstructure and Stress Analysis ou Analyse Micromagnétique et Multiparamètres de la Microstructure et de la Contrainte)
Le système 3MA combine plusieurs mesures électromagnétiques dans une même sonde : le bruit Barkhausen, l’analyse harmonique du champ tangentiel, la perméabilité incrémentale et l’analyse des harmoniques des courants de Foucault à basse fréquence. Sur chaque mesure, il extrait un certain nombre de paramètres du signal issu de chaque mesure (par exemple K, Hco, Mmax, Hcm, µmax, Hcµ…).
Grâce à des outils d’analyse statistique, il détermine un seul paramètre résultant (une combinaison polynomiale des paramètres extraits appelée « Polynôme ») qui corrèle de façon maximale et optimisée avec la grandeur physique ou mécanique recherchée (dans ce cas d’étude : la profondeur de cémentation et la dureté).
De ce fait, le système a la capacité de minimiser les paramètres non désirés et rend l’estimation visée plus robuste. Les outils d’analyse intégrés facilitent grandement la calibration préalable du système. En effet, les mesures 3MA sont des mesures indirectes, et avant d’effectuer un contrôle, il faut préalablement étalonner la mesure sur les pièces dites de « référence » dont les paramètres cibles sont connus.
La LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy ou spectroscopie d’émission atomique de plasma induit par laser)
La LIBS fonctionne avec un laser pulsé dont le faisceau est focalisé à la surface de l’échantillon. L’énergie concentrée est suffisante pour sublimer la matière et transformer ainsi quelques nanogrammes en plasma. Lorsque le plasma se refroidit, les atomes et les ions présents se restabilisent en émettant de la lumière à des longueurs d’onde caractéristiques de chaque élément.
En collectant et en analysant la lumière du plasma avec un spectromètre, on peut identifier les éléments. Il est possible de quantifier des éléments en calibrant avec des échantillons de références.
Le démonstrateur COTRA de contrôle du traitement thermochimique
Le démonstrateur COTRA a été réalisé pour proposer des idées d’intégration et de déploiement des technologies émergentes grâce à une mise en situation industrielle parlante pour les PME / ETI. Les potentiels industriels sont importants dans la mesure où nous pouvons maintenant contrôler plus de pièces, sans prélèvement, et de façon automatisée afin de gagner en productivité. Le démonstrateur nous permet également de contrôler en temps réel afin de gagner en fiabilité et en réactivité.
Sur la photographie ci-après, est illustré le démonstrateur où l’on peut voir la brique indexeur constituée du plateau tournant avec les deux postes technologiques 3MA et LIBS à gauche et la brique robot constituée du bras robotisé, des pièces d’étude et de leurs emplacements prévus, à droite.
Fonctionnement
Le démonstrateur est pilotable à partir de son Interface Homme-Machine ergonomique rendant les informations accessibles et compréhensibles pour des utilisateurs non experts des technologies embarquées. L’intégration du plateau tournant permet de gagner en cadence. Grâce à cette solution, les technologies peuvent fonctionner en même temps et le temps de cycle peut être divisé par deux. Un cycle de mesure est défini de manière à avoir au début, le passage d’une pièce étalon (isolée à côté du robot) permettant la vérification des postes technologiques.
En plus de la zone d’approvisionnement, deux autres zones ont été ajoutées : une zone pour stocker les pièces bonnes et une autre pour stocker les pièces mauvaises, permettant ainsi de mieux distinguer l’aspect « tri » et la conformité des pièces. A la fin, le robot redispose les 16 pièces dans la zone d’approvisionnement et un nouveau cycle peut être lancé.
Contrôles effectués et caractéristiques principales
L’intégration et la mise au point des briques technologiques 3MA et LIBS a nécessité au préalable, l’étalonnage des différents postes technologiques et de quantifier leurs niveaux de répétabilité / reproductibilité. Les mesures effectuées par la suite nous ont permis de vérifier que le démonstrateur était capable de discriminer des pièces bonnes et des pièces mauvaises en temps réel.
Sur la photographie ci-après est illustré le résultat d’un contrôle complet sur une pièce donnée. Le taux de carbone a été évalué par LIBS à 0,8% pour un temps de contrôle de 3,5 secondes. La dureté et la profondeur de cémentation ont été évaluées respectivement à 213 HV et 0,7mm en 3 secondes. Cette pièce a été ainsi classée comme NON OK dans la mesure où la valeur de dureté trouvée est hors tolérance.
En plus des différents contrôles réalisés par le démonstrateur, ce dernier est aussi capable de capitaliser de la data en collectant les différents résultats de mesures grâce à la Edge Box Siemens intégrée. Un traitement de data en local, au plus près de la génération des données brutes est réalisé et par la suite la remontée des informations sur le cloud est automatiquement faite. La visualisation à distance des différentes données de contrôle rend possible le suivi des différents indicateurs en temps réel.
Conclusion
Dans cette étude, nous avons montré la possibilité d’utiliser des technologies émergentes pour le suivi qualité des pièces mécaniques issues de l’industrie de la forge. Le démonstrateur COTRA est un exemple de déploiement des technologies 3MA et LIBS pour mesurer des données multiphysiques telles que l’évaluation d’une durée de cycle, la mesure de la profondeur de traitement thermochimique et le taux de carbone surfacique d’une pièce industrielle.
En plus du contrôle en temps réel (temps de cycle grandement réduit par rapport aux mesures destructives de référence) et à 100% du flux de production, le démonstrateur permet d’acquérir des data pertinentes pour une digitalisation réussie grâce à l’intégration de la Edge Box de Siemens. En effet, un des enjeux principaux dans l’industrie 4.0 est de disposer de données fiables sur la conformité de production pour pouvoir tirer pleinement profit des autres données indirectes (process, environnement, etc.) grâce notamment aux outils de traitement numérique et plus spécifique l’usage de l’IA.
La conception même du démonstrateur de contrôle du traitement thermochimique par briques technologique permet également des perspectives d’évolution telle que l’intégration de nouvelles technologies innovantes comme les ultrasons laser de surface ainsi que le bruit Barkhausen par exemple. Ces nouvelles briques permettraient d’augmenter le panel des analyses qualité avec de nouveaux contrôles comme la mesure des contraintes résiduelles et le taux d’austénite.
Remerciements aux co-auteurs : Elhadji Barra NDIAYE, Jérôme THABOUREY, Damien DEVISMES, Naïm SAMET et Richard COQUET. Cet article est paru initialement dans la revue Forge et Fonderie, 10/2021, pp. 8-11, sous le titre « Le COntrôle en Temps Réel Avancé (COTRA) de la profondeur de traitement thermochimique de pièces issues de la forge. »
Que seraient les contrôles non destructifs sans une analyse des signaux et le Machine Learning.