LES MATÉRIAUX COMPOSITES CARBONÉS

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1 1104_0284_P_031_000_ETUDES_RECHERCHE 2/05/11 8:45 Page 31 LES MATÉRIAUX COMPOSITES CARBONÉS FABRICATION, DÉFECTOLOGIE ET CONTRÔLE NON DESTRUCTIF FABIEN LEPILLER, GAËLLE FRAMEZELLE (INSTITUT DE SOUDURE) Cette publication fait suite à l article du même titre paru dans le STC vol. 65 n 3/4 de LE CONTRÔLE NON DESTRUCTIF DES STRUCTURES COMPOSITES AÉRONAUTIQUES Du fait de l essor des matériaux composites dans le domaine de l aéronautique, et de la nécessité d assurer l intégrité de ces structures, de nombreux travaux ont été réalisés ces dernières décennies pour exploiter des méthodes de contrôle non destructif adaptées à ces matériaux. La technologie ultrasonore est la plus répandue du fait des diverses variantes d applications. Les techniques optiques comme la shearographie, et la thermographie infrarouge trouvent aussi leur place dans de nombreuses applications industrielles notamment du fait qu elles permettent d assurer un contrôle global plus rapide. Ces différentes techniques de contrôle, passées en revue dans les sections suivantes, offrent des résultats souvent complémentaires et permettent de caractériser les défauts avec une grande précision. 4.1 LA TECHNOLOGIE ULTRASONORE MONO-ÉLÉMENT Le contrôle ultrasonore est basé sur la propagation d ondes ultrasonores (transmission et/ou réflexion) à travers un matériau et sur l évaluation des signaux résultant de l interaction de l onde avec une discontinuité du matériau. En effet, la présence d un défaut engendrera des perturbations sur le signal lié à la propagation de l onde. La méthode la plus classique pour effectuer un contrôle ultrasonore utilise des traducteurs mono-élément. fond de la pièce soit sur un défaut. La présence d un défaut engendre la réflexion d une partie de l énergie du faisceau ultrasonore. Cela se traduit par l apparition d un signal électrique sur l échogramme dont la position est fonction de la profondeur du défaut dans le matériau. Figure 25 : Contrôle ultrasonore par échographie. Zone saine (à gauche) ; Zone défectueuse (à droite). Dans le cas d un contrôle par transmission (Figure 26), deux traducteurs sont utilisés au lieu d un. L un fonctionne en émetteur, l autre en récepteur. Pour un résultat optimum, les deux traducteurs doivent être placés l un en face de l autre de part et d autre de la pièce. La présence d un défaut, pour cette configuration, atténue l énergie des ondes ultrasonores et se traduit sur l échogramme par l atténuation voire la disparition du signal [1] Principe Le capteur ultrasonore mono-élément est composé d une pastille piézoélectrique qui transforme l énergie acoustique en énergie électrique et inversement. Associé à un générateur, plus communément appelé poste ultrasonore conventionnel, ce capteur émet des ondes ultrasonores. Dans le cas d un contrôle ultrasonore par échographie (Figure 25), le même capteur émet et reçoit des ondes ultrasonores qui se réfléchissent soit sur le Figure 26 : Contrôle par transmission. Zone saine (à gauche) ; Zone défectueuse (à droite). Institut de Soudure Recherche et Enseignement Plate-forme Contrôle Non Destructif 4, boulevard Henri Becquerel, Yutz (France). 31

2 1104_0284_P_031_000_ETUDES_RECHERCHE 2/05/11 8:45 Page Applications Le contrôle ultrasonore mono-élément au contact d une pièce est utilisé majoritairement pour la détection de délaminages et de corps étrangers dans les structures monolithiques. De plus, cette technique est également efficace pour la détection de décollements entre la peau carbone et le NIDA (nid d abeilles) ainsi que pour la mesure d épaisseur. Dans tous les cas, la mise en œuvre du contrôle est réalisée à partir de matériels vérifiés (poste ultrasonore + traducteur 10 MHz) présentés en Figure 27. temps entre l écho d émission A et celui du défaut C. Enfin, les défauts sont relevés sur des PV de contrôle où seront précisés leurs localisations et leurs natures. Concernant la mesure d épaisseur, la méthodologie est identique à celle utilisée pour déterminer la profondeur d un défaut à la différence que la mesure de temps s effectue entre deux échos de fond successifs. Il est possible également d adapter cette technique sur des zones complexes (rayons, coudes, etc.) et de vérifier le nombre de plis de carbone constituant la pièce car chacun de ces plis génère un écho de réflexion de faible énergie D. Néanmoins, cette technique ne permet pas l obtention de cartographies de la pièce entière. Pour ceci, une autre technique automatisée basée sur le même principe physique est utilisée. Il s agit du contrôle ultrasonore en immersion ou par jets d eau. 4.2 LE CONTRÔLE PAR IMMERSION : C-SCAN JET D EAU Figure 27 : Équipements de contrôle ultrasonore monoélément manuel (poste ultrasonore, couplant, traducteur). Chaque zone est contrôlée depuis une seule face de la pièce à inspecter. Comme expliqué ci-dessus, l analyse s effectue sur l observation des variations de l écho de fond de la pièce ainsi que sur l éventuelle apparition d un écho intermédiaire correspondant à des réflecteurs situés dans l épaisseur. La Figure 28 met en évidence les réponses ultrasonores obtenues sur une zone saine et sur une zone défectueuse d une pièce monolithique laminée. Cet exemple montre que la présence d un défaut dans l épaisseur de la pièce engendre un écho significatif C et une diminution de l amplitude de l écho de fond B. De plus, suite à un étalonnage sur une pièce de référence, il est possible de déterminer la profondeur de ce défaut à partir de l intervalle de Principe Basé sur la même physique que la technique ultrasonore conventionnelle, le contrôle par immersion (Figure 29) nécessite le plus souvent d être configuré en transmission. Dans le cadre d une immersion totale, la pièce et les traducteurs sont entièrement immergés. Le couplage par jets d eau permet quant à lui de n immerger que les traducteurs et de projeter de l eau localement sur la pièce. Pour cela, deux buses jet d eau sont placées précisément en vis-à-vis afin de permettre la propagation d ondes ultrasonores. Une buse intègre le traducteur émetteur, l autre, le traducteur récepteur. Dans les deux cas, les déplacements réalisés pour l inspection de la pièce entière sont automatisés et codés ce qui permet l obtention d une cartographie 2D Applications Dans le cadre de l application jet d eau utilisée chez Composite Integrity [2], chaque buse est fixée au Figure 28 : Réponses ultrasonores résultant d un contrôle sur une pièce monolithique carbone (zone saine à gauche et zone défectueuse à droite). A correspond à l écho d émission, B à l écho de fond, C à l écho engendré par le défaut et D aux échos liés aux plis de carbone. Figure 29 : Exemples de système ultrasonore immersion (à gauche) et jet d eau (à droite). bout du bras des deux robots poly-articulés. Les déplacements des robots sont synchronisés afin de garder les deux buses coaxiales. L énergie transmise est alors graduée selon une échelle de couleur qui permet de mettre en évidence rapidement les zones défectueuses. La Figure 30 montre un exemple de cartographie C-scan (vue de dessus de la pièce) obtenu avec ce système. Cette cartographie globale de la pièce permet de mettre rapidement en évidence les défauts ainsi que leurs positions. Ceci constitue un support visuel essentiel dans le suivi de la pièce tout au long de sa durée de vie. De plus, ce système permet de contrôler des pièces complexes (Figure 31) grâce à son concept offrant le suivi de profil des pièces. Cet avantage est procuré par la poly-articulation du déplacement suivant des trajectoires définies par CAO. De ce fait, de nombreuses pièces complexes peuvent être inspectées en une seule programmation et sans perte de données. En effet, ce concept permet d obtenir des cartographies 2D correspondant à un développé du profil de la pièce et non une projection. Comme présenté en Figure 31, la flexibilité de cette installation, de par sa robotisation, permet de s adapter à des pièces de plus en plus complexes et volumineuses, représentatives de nombreuses applications dans les domaines de l aéronautique. Cette technologie permet donc de répondre parfaitement aux attentes des industriels en termes de coût et délais. 32 SOUDAGE ET TECHNIQUES CONNEXES I MAI-JUIN 2011 I

3 1104_0284_P_031_000_ETUDES_RECHERCHE 2/05/11 8:45 Page 33 LES MATÉRIAUX COMPOSITES CARBONÉS Figure 30 : Cartographie d une éprouvette étalon monolithique. Les zones bleues mettent en évidence la présence de défauts. cun être piloté indépendamment. Tous ces éléments peuvent être considérés comme une source linéaire d une onde cylindrique, ce qui permet par le phénomène d interférences constructives et destructives, de générer un front d ondes [4]. En pilotant électroniquement chacun des éléments, cette technologie permet différents réglages tels que le balayage, la focalisation et la déflexion électronique [5]. Il est possible également de combiner ces différents réglages pour certaines applications. Le front d ondes peut alors être retardé et synchronisé en phase et en amplitude de façon à créer un faisceau donné selon la configuration du contrôle. Par rapport à la technologie mono-élément, le traducteur multi-éléments permet de réduire la zone morte et augmente la résolution. La rapidité du contrôle est quant à elle obtenue grâce à un multiplexage électronique qui permet de remplacer un balayage mécanique. De nombreuses configurations peuvent ainsi être explorées sans qu il ne soit nécessaire de déplacer le traducteur. En fonction des problématiques, les traducteurs multi-éléments peuvent adopter différentes géométries [5] (linéaire, annulaire, matricielle et circulaire) qui sont présentées en Figure a 3b 4 Figure 31 : Contrôle d une pièce complexe par ultrasons jet d eau. À gauche, la pièce réelle (les flèches blanches représentent les pentes de la surface) et sa cartographie ultrasonore à droite. 4.3 LA TECHNOLOGIE MULTI-ÉLÉMENTS : LE PHASED ARRAY Le contrôle non destructif ultrasonore a dû évoluer pour s adapter aux cadences de productions industrielles. C est dans cette optique que s est développée la technologie phased-array ou multi-éléments. Cette technique permet non seulement un gain de temps pour contrôler la totalité d une pièce par rapport à la technologie mono-élément, mais elle augmente également la fiabilité de l inspection en améliorant l insonification des endroits difficilement accessibles comme peut le montrer la Figure 32 [3] Principe Le principe de la technologie phased array (Figure 33) repose sur l utilisation de traducteurs décomposés en éléments piézoélectriques individuels pouvant cha- Figure 34 : Exemples de géométrie des traducteurs multi-éléments (1 : linéaire, 2 : annulaire, 3a et 3b : matriciel, 4 : circulaire). Quelle que soit la géométrie des traducteurs, ils doivent répondre aux critères suivants : - Les éléments ne doivent pas générer sur les éléments voisins de vibrations dues à un couplage acoustique ou électrique. - Les performances des éléments doivent être les plus proches possibles de manière à assurer une construction de faisceau homogène. Figure 32 : Balayage multi-éléments. Figure 33 : Principe, basé sur les phénomènes d interférences, d un traducteur multi-éléments. 33

4 1104_0284_P_031_000_ETUDES_RECHERCHE 2/05/11 8:45 Page 34 (SPA) [10]. Le SPA (Figure 36) consiste à mesurer l émission d ondes élémentaires de chaque élément du traducteur pour reconstruire le signal quelque soit l angle ou le point de focalisation. Par comparaison avec la méthode traditionnelle, cette technique améliore la qualité de l information, la rapidité de contrôle, sa flexibilité d application pour les contrôles particuliers. La seconde étape consiste à reconstruire les images à partir des données enregistrées. Pour cela, une analyse des A-scans, basée sur le calcul du temps de parcours entre les éléments émetteurs et récepteurs et des amplitudes des échos des réflecteurs présents dans la pièce, est effectuée. Par conséquent, il est possible de réaliser virtuellement un balayage angulaire et des focalisations en différentes profondeurs après l acquisition des données. Non seulement la durée du contrôle est significativement réduite par la virtualisation du contrôle, mais la focalisation dans le champ proche augmente la sensibilité et la résolution [11]. Une comparaison avec un essai en ultrasons conventionnels est donné en Figure 37. Outre ces avantages, la technique REserve PHAse MATching (REPHAMAT) développée à partir des données issues de la combinaison des méthodes SPA et SAFT permet d améliorer la détection des défauts dans les milieux hétérogènes et anisotropes tels que les matériaux composites. Cette méthode consiste à prendre en compte le fait que les caractéristiques acoustiques (vitesse de phase et vitesse de groupe) varient en fonction du milieu hétérogène et anisotrope (caractérisé par sa matrice d élasticité) [12]. Les vitesses sont calculées en fonction des constantes élastiques, le temps de vol est ensuite calculé par tracé de rayons ou grâce à des logiciels de simulation. Enfin la reconstruction 2D ou 3D s effectue avec la méthode SAFT. Figure 35 : Cartographies obtenues par phased-array sur deux éprouvettes étalons. Détection de décollements peau/nida (à gauche) puis de délaminages (à droite, Bscan et Cscan) Applications Le contrôle ultrasonore multi-éléments peut-être mis en œuvre à la fois en production et en service. Il permet de détecter dans les matériaux composites de nombreux défauts tels que les délaminages, les fissures, les décohésions fibre/matrice, les manques de fibre, la corrosion et les dommages suites à un impact [6, 7]. La Figure 35 présente quelques résultats obtenus par l IS dans le cadre de ces travaux. Afin d améliorer ces résultats, Lane et al. [8] proposent d utiliser la technique phased array pour obtenir des images 3D de défauts à l intérieur d une pièce. Le contrôle est effectué avec un capteur matriciel (2D), qui permet d orienter le faisceau ultrasonore dans toutes les directions. Cependant, les résultats obtenus montrent qu il y a une perte de sensibilité due à la distorsion volumétrique de l image. Un modèle analytique a alors été utilisé pour corriger les images et permet d obtenir des résultats avec une précision de +/- 2 o. Ensuite, une autre technique basée sur la technique SAFT (Synthetic Aperture Focus Technique) [9] a été développée. La première étape consiste à mettre en œuvre une nouvelle technique basée sur le principe du phased array, le Sampling Phased Array Figure 37 : C-scans obtenus par contrôle en immersion d un matériau composite type CFRP, en phased array conventionnel (gauche) et en mode Sampling Phased Array (droite). 4.4 GÉNÉRATION D ONDES ULTRASONORES PAR LASER Le contrôle de matériaux composites peut s avérer difficile pour des structures à géométries complexes. L intérêt du laser ultrasonore réside dans sa capacité à détecter des défauts, dans des structures de formes irrégulières comme par exemple la pièce présente en Figure 38 [13]. Sa rapidité d exécution, son application sans contact et la maniabilité pour le contrôle de pièces à géométries particulières sont ses principaux atouts [14]. Figure 36 : Principe de la technique du Sampling Phased-array Principe Le contrôle non destructif ultrasonore généré par laser, présenté en Figure 39, est basé sur l interaction de deux faisceaux laser à la surface du composant. Un premier laser émet de brèves impulsions sur la sur- 34 SOUDAGE ET TECHNIQUES CONNEXES I MAI-JUIN 2011 I

5 1104_0284_P_031_000_ETUDES_RECHERCHE 2/05/11 8:45 Page 35 LES MATÉRIAUX COMPOSITES CARBONÉS Figure 38 : Exemple de pièce à géométrie complexe en matériau composite. face de la pièce qui engendrent l apparition d ondes ultrasonores. L onde ultrasonore générée se propage à l intérieur du matériau, et se réfléchit soit sur le fond de la pièce, soit sur un défaut. Le mouvement provoqué à la surface par l onde réfléchie engendre une variation de fréquence de la lumière rétrodiffusé du second laser qui détecte les ondes. Le signal est ensuite démodulé puis transformé en signal électrique par l intermédiaire d un système optique. Le signal électrique est alors analysé par un système équivalent au contrôle ultrasonore mono-élément [14] Applications Pour le contrôle des matériaux composites, la technique du laser ultrasonore est notamment utilisée pour détecter des défauts tels que des fissures, des délaminages ou encore des porosités. Focke et al. [13] ont expérimenté cette technique sur un matériau composite (CFRP), où des trous à fond plat de diamètres différents ont été percés à différentes profondeurs. Une cartographie est présentée en Figure 40. Figure 39 : Principe de fonctionnement du laser ultrasonore. Figure 42 : Équipement Laser ultrasonore pour le contrôle industriel : LUIS Figure 40 : C-scan obtenu par ultrasons générés par laser. Une pièce de géométrie complexe a également été contrôlée. Elle présente des trous de différents diamètres situés dans l angle droit de la pièce. Le résultat ainsi que la pièce réelle sont exposés dans la Figure 41. Le laser ultrasonore peut également être appliqué en milieu industrie (Figure 42). Honlet [14] propose de détecter tous types de défauts en utilisant cette technique, dans un matériau composite. Le système est à la fois adapté pour le contrôle de petites pièces, puisqu il fournit une résolution de 0,25 mm, mais aussi de grandes pièces telles que des voilures d avion. 4.5 TECHNOLOGIE ULTRASONORE COUPLAGE À L AIR Les techniques ultrasonores nécessitent généralement un couplant, de l eau ou du gel, afin d assurer la transmission du signal ultrasonore. Le contrôle ultrasonore de structure en matériau composite peut alors s avérer délicat en présence d obstacles à la surface de la pièce. Afin de s affranchir de ces contraintes géométriques et environnementales, une solution consiste à utiliser un couplage à l air. Figure 41 : Pièce complexe avec trous sur l angle droit (gauche) ; C-scan du contrôle de la pièce par laser ultrasonore (droite) Principe Les techniques de couplage par l air, tout comme pour le couplage eau, sont nombreuses. Il est possible de cartographier une pièce de la même façon qu avec la technique par immersion, mais en s affranchissant du couplage, tout comme mesurer la variation de l amplitude d ondes guidées à travers le matériau. Cependant, ces techniques utilisent des traducteurs ultrasonores spécifiques. 35

6 1104_0284_P_031_000_ETUDES_RECHERCHE 2/05/11 8:45 Page 36 Concernant les ondes guidées, les ondes de Lamb ont pour particularité de se propager dans toute l épaisseur du matériau. La propagation dépend des propriétés physiques et mécaniques de la pièce [15]. Deux configurations de contrôle se distinguent. La première configuration (Figure 43.a) nécessite d effectuer le contrôle en disposant les traducteurs en mode émetteur récepteur (ou pitch-catch) [16]. Dans la seconde configuration (Figure 43.b), les traducteurs sont orientés dans la même direction, où le récepteur capte les ondes de Lamb diffusées et réfléchies par le défaut Applications La technique ultrasonore couplage air est employée dans le domaine aéronautique et permet de détecter, dans les matériaux composites, des défauts de type fissures [15], délaminages ou dommages suite à un impact [16, 17]. Des éprouvettes en carbone/époxy monolithiques avec inserts en téflon de différentes tailles ont été testées par la méthode transmission. La Figure 45 présente quelques résultats. Cette Figure 45 montre la possibilité de cette technique de détecter des délaminages (indications en bleu) dans les composites monolithiques. Figure 47 : C-scan (a) et B-scan (b) d un impact détecté par la méthode de couplage air en configuration pitch-catch sur un matériau composite en nid d abeilles. Figure 43 : a : méthode pitch and catch ; b : méthode de diffusion et réflexion (T : Émetteur ; R : Récepteur). En mode pitch-catch, le défaut s oppose à la propagation de l onde émise. Par conséquent, le récepteur ne perçoit qu une faible partie de l onde. La mesure dépend de la distance entre les deux traducteurs, et le dimensionnement des défauts est approximatif. A contrario, dans la seconde configuration, en présence d un défaut, le récepteur détecte un signal provenant de la diffusion et de la réflexion du signal. Cette seconde méthode offre davantage de précision et permet d après les auteurs ainsi de dimensionner avec précision les défauts [16]. Un exemple de signaux peut être observé dans la Figure 44. Figure 45 : Contrôle par ultrasons couplage air en transmission. Cartographie C-scan de deux pièces monolithiques. De plus, il est possible d adapter cette technique pour le contrôle de pièces sandwichs (Figure 46). Hsu D.K. et al. [17] ont utilisé cette même technique dans le but de contrôler le collage peau/nida aluminium. Concernant le contrôle non destructif par génération d ondes guidées, Kazys R. et al. [16] présentent des résultats de travaux concernant la détection de délaminages et de défauts suite à un impact sur une pièce sandwich. Le premier contrôle fait suite à un impact de 1J sur une pièce sandwich (Figure 47). La propagation d une onde de fréquence de l ordre de la centaine de khz permet la détection et la quantification des défauts. Dans ce cas, l imagerie B-scan montre la profondeur de l indication. La même configuration a été adaptée sur une autre pièce sandwich afin de détecter des décollements peau/âme. Pour cela, un petit système a été développé afin de coder la cartographie en deux dimensions. Le résultat obtenu en Figure 48 est comparable à une inspection ultrasonore utilisant de l eau comme couplage. 4.6 LA SHEAROGRAPHIE La shearographie est une technique interférométrique également appelée interférométrie différentielle ou cisaillographie. Figure 44 : Exemple d ondes collectées, en mode pitch-catch (a) et par diffusion et réflexion sur défaut (b). Figure 46 : Contrôle ultrasonore par couplage air d une pièce sandwich (âme en aluminium). Cartographie C-scan Principe La shearographie repose sur l interférence de deux ondes lumineuses cohérentes diffusées par deux points voisins de la pièce à contrôler. Dans le plan du capteur optique (matrice CCD), deux images de speckle (rugosité du matériau révélée sous lumière cohérente) superposées sont alors observées. Ces deux images sont légèrement décalées ce qui permet une mesure différentielle de phase. Pour obtenir ce décalage, différents dispositifs optiques peuvent être utilisés, mais le plus fréquent est l interféromètre de Michelson (Figure 49) [18]. Cet interféromètre [19] permet de régler le décalage 36 SOUDAGE ET TECHNIQUES CONNEXES I MAI-JUIN 2011 I

7 1104_0284_P_031_000_ETUDES_RECHERCHE 2/05/11 8:45 Page 37 LES MATÉRIAUX COMPOSITES CARBONÉS Figure 48 : Plan de l éprouvette sur un composite sandwich (à gauche) et sa cartographie C-scan obtenue pour une fréquence d excitation de 300 khz (à droite). Figure 49 : Interféromètre de Michelson. entre deux images en ajustant la position d un des deux miroirs ainsi que d utiliser la technique du décalage de phase. La shearographie étant basée sur un montage interférométrique, elle permet la formation de franges et nécessite une mise en contrainte afin de déformer l objet à tester. Ceci engendre une variation de la phase Δρ entre l état de référence et un état post déformation qui est fonction de la dérivée du déplacement hors plan de l objet. Dans le cadre de la plupart des essais, cette variation de phase fait l objet des mesures. - l excitation vibratoire grâce à un pot vibrant ou ondes guidées, - l excitation par dépression en utilisant par exemple une chambre à vide. Il est important d adapter le type d excitation en fonction de la configuration et de l objectif du contrôle. Dans tous les cas, grâce à la haute sensibilité de la méthode, une très petite contrainte (évolution thermique de la pièce de quelques degrés ou de pressions de quelques Pascal) est suffisante pour mettre en évidence des défauts. Ainsi, de nombreux délaminages dans des structures composites monolithiques et sandwichs peuvent être détectés suite à une contrainte thermique. Clergent [21] montre que l utilisation de lampes halogènes pendant quelques secondes permet de mettre en évidence la position des raidisseurs présents sur la face opposée à celle d inspection ainsi que des délaminages créés suite à un impact. De plus, les travaux réalisés par Pezzoni et Krupka [22] montrent que la shearographie par excitation thermique permet aussi de détecter des défauts artificiels dans une pièce sandwich graphite/nomex issue d une queue d hélicoptère. Ils montrent également l intérêt de la méthode du décalage de phase qui permet d augmenter la sensibilité de la mesure par rapport à l image de franges. Quelques exemples de résultats, issus de travaux effectués à l Institut de Soudure en partenariat avec Composite Integrity, obtenus par cette technique sont présentés dans la Figure 50. La cartographie obtenue sur la pièce sandwich (surface inspectée d environ mm) résulte d une excitation thermique de 5 s. Les défauts détectés se situent à l interface peau/âme et sont de diamètre 20 mm et 50 mm. La position du recouvrement entre deux couches est également mise en évidence. La pièce monolithique présente plus de difficulté au niveau de la détection. Néanmoins de nombreux défauts sous-jacents sont mis en évidence suite à une excitation de 15 s. D autres résultats obtenus avec une excitation par dépression montrent également une bonne performance en termes de détection de délaminages et de décollements. Une étude réalisée par Bobo [23] montre les performances de cette excitation pour la détection de décollements sur une partie de fuselage d avion. Les indications détectées par shearographie ont ensuite été confirmées par un sondage ultrasonore. Hung [24, 25] propose également ce moyen d excitation pour détecter des décollements dans des Applications Comme évoqué ci-dessus, la shearographie nécessite de mettre en contrainte l objet à contrôler. Cependant, il existe une multitude de sollicitations envisageables [20]. Les trois méthodes les plus couramment utilisées sont les suivantes : - l excitation thermique par des lampes flashs ou halogènes pour un chauffage en surface, Figure 50 : Cartographies de phase obtenues par shearographie avec excitation par lampes halogènes sur une pièce sandwich (carbone/nomex) (à gauche) et sur une pièce monolithique carbone (à droite). 37

8 1104_0284_P_031_000_ETUDES_RECHERCHE 2/05/11 8:45 Page 38 Figure 51 : Multiples délaminages détectés suite à une excitation par dépression dans un composite sandwich graphite/nomex. composites laminés et sandwich. Il compare également les performances de ce moyen d excitation avec d autres (thermique, vibration, air chaud). Un exemple de shearogramme est donné dans la Figure 51. Enfin, des travaux réalisés dans le cadre d une thèse ont notamment permis d explorer les possibilités de l excitation vibratoire. En effet, Taillade [19] a étudié l interaction d une onde de Lamb avec un défaut en utilisant l effet stroboscopique afin d observer la propagation de cette onde (Figure 52). Dans ce cas, cette onde est générée grâce à un traducteur piézoélectrique. Cette configuration permet de mettre en évidence certains délaminages crées suite à des impacts de différentes énergies. D autres résultats utilisant l interaction d une onde de Lamb avec des défauts sont disponibles. Parmi ceux,-ci Focke [26] utilise un Laser pour générer une onde de Lamb, ce qui permet de s affranchir du couplage nécessaire avec le capteur piézoélectrique. Figure 53 : Mise en évidence d un délaminage créé par un impact sur une pièce CFRP suite à une excitation vibratoire. Il existe une deuxième configuration, appelée «temps moyenné» [27] afin d acquérir les données issues d une excitation vibratoire. Cette technique est utilisée lorsque la sollicitation fait apparaître les modes propres de vibration de l objet. Un exemple d application [28] est donné dans la Figure LA THERMOGRAPHIE INFRAROUGE Principe La thermographie infrarouge [29] est basée sur la mesure du flux thermique ou du rayonnement électromagnétique émis dans l infrarouge par tous corps chauds. Ce rayonnement est directement lié à la température de la pièce au facteur d émissivité près. Ainsi, avec une caméra infrarouge étalonnée à l aide de corps noirs, une représentation thermique de la pièce peut être reconstituée. La méthode thermographique la plus utilisée pour le contrôle de structures aéronautiques consiste à apporter une énergie externe au matériau. Les défauts sont alors mis en évidence par l étude de la propagation du flux thermique [30]. Cependant, il existe différentes configurations (Figure 54) afin d apporter de l énergie au matériau à contrôler : - l excitation thermique par des lampes flashs ou halogènes pour un chauffage en surface, la thermographie pulsée, - l excitation vibratoire grâce à un pot vibrant ou ondes ultrasonores, la vibrothermographie, - la génération d ondes thermiques dans le matériau suivie d une détection synchrone, la thermographie Lock-in Applications La configuration la plus commune est la thermographie pulsée. L une des raisons de ce succès est que cette technique ne nécessite qu une impulsion thermique de faible durée (quelques millisecondes pour Figure 52 : Interaction d une onde de Lamb (mode A0) générée à une fréquence de 60 khz avec un multi-délaminage créé suite à un impact de 3,1 J (à gauche) et de 5,3 J (à droite). Figures 54 : Méthodes de thermographie active : stimulation par des lampes flashs ou halogènes (droite), par une sonotrone (gauche). 38 SOUDAGE ET TECHNIQUES CONNEXES I MAI-JUIN 2011 I

9 1104_0284_P_031_000_ETUDES_RECHERCHE 2/05/11 8:45 Page 39 LES MATÉRIAUX COMPOSITES CARBONÉS Figure 55 : Thermogrammes obtenus par thermographie pulsée sur une pièce sandwich possédant des défauts à l interface peau/âme. les lampes flashs, et de l ordre de la dizaine de secondes pour les lampes halogènes). Suite à cette excitation, la température de la pièce augmentera plus ou moins rapidement en fonction de son coefficient de diffusivité. Un défaut modifiera la propagation thermique et sera donc mis en évidence par une mesure de la température. De nombreux travaux ont été effectués en utilisant cette technique dans le but de détecter des délaminages [31, 32] et porosités [33] dans des composites laminés de faible épaisseur (5 mm). Il en résulte que la détection de délaminages est très difficile lorsque ces défauts sont situés au-delà de la mi-épaisseur. Cependant, le fait d exciter thermiquement la pièce du coté opposé à celui de la mesure (contrôle en transmission par analogie aux ultrasons) améliore la détection. De nombreuses pièces sandwich peuvent aussi être contrôlées par cette technique. En effet, Rao [34] montre, dans la Figure 55, la possibilité offerte par cette technique de détecter des délaminages dans la peau de la pièce sandwich ainsi que des décollements avec l âme. La thermographie Lock-in basée sur la génération d une onde thermique grâce à une excitation périodique (modulation sinusoïdale de l excitation thermique) permet la mesure de la phase de l onde thermique qui est fonction de sa propagation. Cette méthode est intéressante pour le CND car elle est relativement insensible à une excitation non uniforme de la pièce. La fréquence de modulation étant Figure 56 : Images de phase obtenues par Thermographie Lock-in pour différentes fréquences de modulation. inversement proportionnelle à la profondeur d inspection du matériau, il est possible d évaluer la profondeur d un défaut. Cette technique est aussi largement utilisée dans le domaine de l aéronautique pour le contrôle de matériaux composites en carbone [35, 36]. Un exemple de résultats est donné en Figure 56. Sur cette figure, les renforts situés sur la face opposée à l inspection sont mis en évidence pour la fréquence la plus faible. Enfin, en ce qui concerne la vibrothermographie, l énergie extérieure apportée est mécanique et est engendrée par la propagation d ondes acoustiques dans le matériau. Les défauts peuvent alors être détectés grâce à la chaleur produite par la friction de la matière. Cette technique offre la possibilité d inspecter de grande surface en un seul point de contact. L utilisation de pistolets à ultrasons est la plus souvent rencontrée car ils génèrent une puissance importante (centaines de Watt) [37, 38]. Une application de cette technique est présentée dans la Figure 57. Il est également possible d utiliser des traducteurs piézoélectriques standards et d exciter des modes ultrasonores spécifiques. Dans ce cas, la puissance générée est de l ordre du Watt [39]. 5. COMPARAISON DES DIFFÉRENTES TECHNIQUES Ces techniques de contrôle utilisent des principes physiques différents et permettent de détecter et de caractériser, dans une certaine mesure, les défauts rencontrés lors des contrôles sur les matériaux composites. Le Tableau 1 récapitule et compare les résultats, les avantages et limites de chaque technique. Figure 57 : Pièce composite (à gauche) et son plan (en haut). Image thermique (à droite) obtenue suite à une excitation ultrasonore de 2 s à 200 cm du défaut. 39

10 1104_0284_P_031_000_ETUDES_RECHERCHE 2/05/11 8:45 Page 40 Tableau 1 Comparaison des différentes techniques de contrôle non destructif Technique CND Avantages Limites Défectologie Échographie - Les touts petits défauts sont difficiles à détecter - Contrôle local et long - Détection difficile dans une fine épaisseur juste en dessous de la surface (zone morte) - Problème avec les agents couplant pour les matériaux composites Transmission - Localisation du défaut avec précision - Haute sensibilité - Possibilité de déterminer les propriétés du matériau - Les touts petits défauts sont difficiles à détecter - Contrôle local et long - Détection difficile dans une fine épaisseur juste en dessous de la surface (zone morte) - Problème avec les agents couplant pour les matériaux composites. - Difficulté d identification du type de défauts et de sa profondeur - Peu sensible aux inclusions - Accès aux deux côtés de la pièce - Détection du défaut si sa taille est > λ/2 sous réserve d un rapport signal sur bruit satisfaisant Phased array - Localisation du défaut avec précision - Haute sensibilité - Possibilité de déterminer les propriétés du matériau - Zone morte réduite (par rapport aux contrôles ultrasonores classiques) - Les matrices sont peu adaptées pour l inspection des zones courbes Thermographie - Sans contact - Large couverture de la zone à contrôler - Utilisation pour tous les types de matériaux - Performances de la caméra Infrarouge - Temps de contrôle important pour certaines configurations - La taille des défauts détectés est limitée par la résolution de la caméra Infrarouge - Détection difficile au-delà d une épaisseur de 5mm Shearographie - Sans contact - Pas de préparation de l objet avant le contrôle, mais la pièce ne doit pas être trop réfléchissante - Particulièrement bien adaptée aux matériaux composites sandwich - Contraintes extérieures (vibration, luminosité) - Ne détecte pas les porosités car il n existe pas de corrélation entre la mesure de la déformation de surface et les porosités à l intérieur des pièces - Taille du défaut équivalente à la taille de la perturbation du motif de franges. 6. CONCLUSION Les matériaux composites offrent de nouvelles perspectives dans de nombreux domaines d application. Leur structure particulière permet d obtenir des caractéristiques mécaniques très intéressantes. La composition de la structure et les conditions de mise en œuvre vont influer sur le comportement du matériau. Tout comme pour les autres matériaux au stade de leur fabrication ou de leur mise en service, il est possible que des défauts apparaissent. Quel que soit le type de défaut rencontré, il est important de les détecter avant qu ils n engendrent de lourdes conséquences. Pour cela, de nombreuses techniques CND ont été développées. Elles peuvent permettre de caractériser et de localiser les défauts avec une grande précision. Les nombreuses techniques employées sont souvent complémentaires et permettent d envisager de contrôler la plupart des types de matériaux composites. 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