Recherche de moyens de contrôle non destructif permettant la découverte de criques dans les structures bois. Rapport final

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1 Recherche de moyens de contrôle non destructif permettant la découverte de criques dans les structures bois Rapport final Version révisée du 21 février 2008 L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 1 / 105

2 Table des matières 1 Introduction 5 2 Typologie des criques dans les longerons d'avions légers Voilure et longeron Efforts mécaniques s'exerçant sur le longeron Définition d'une crique Observations des criques sur voilures en réparation 10 3 Phénoménologie et détectabilité des criques dans les structures bois Généralités sur le matériau bois Comportement mécanique en traction compression Comportement mécanique en flexion Résultats scientifiques obtenus sur la ruine en compression 16 4 Principales techniques de contrôle non destructif Définition du contrôle non destructif Méthodes visuelles : Examen visuel, endoscopique ou télévisuel (Visual examination) Méthode du ressuage (Liquid penetrant) Méthodes d étanchéité (Permeability testing) Méthode magnétique: Magnétoscopie (Magnetic particle) Méthode électromagnétique : Courants de Foucault (Eddy current) Méthode thermique : Thermographie infrarouge (Thermal infrared testing) Méthodes par acousto ultrasons : Ultrasons et Emission acoustique (Ultrasonic and Acoustic emission) Méthodes par rayonnements ionisants : Radiographie et tomographie (Radiology) Méthodes optiques (Optical methods) Tableau des avantages et des inconvénients 34 5 Sélection des méthodes de contrôle Critères de sélection Notation des méthodes selon les critères Application des critères Tableau de synthèse 38 6 Méthodologie expérimentale Réalisation des échantillons de validation 39 L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 2 / 105

3 6.1.1 Essais d'endommagement Confection des échantillons de validation Répartition des activités de recherche 43 7 Analyse d image Protocole expérimental Résultats 45 8 Thermographie infrarouge Méthodologie expérimentale du contrôle non destructif par thermographie infrarouge Description des cameras infrarouges utilisées Résultats et analyses des essais de thermographie infrarouge 50 9 Rayons X Protocole expérimental Imagerie par transmission Mesure par diffusion Compton Résultats obtenus Imagerie par rayons X en transmission Mesure par rayons X en diffusion Compton Ultrasons Essais ultrasonores en laboratoire par couplage avec de l eau Protocole expérimental Essais en réflexion normale sur échantillons Essais en incidence variable sur un élément de longeron Résultats en réflexion normale sur échantillons Interprétation d un essai A Scan en Réflexion Normale Interprétation d un essai B Scan en Réflexion Normale Synthèse des résultats obtenus en réflexion normale Résultats en incidence variable sur un élément de longeron Essais ultrasonores par contact élastomère Protocole expérimental Description et caractéristiques de l instrumentation ultrasonore Méthode de mesure Résultats Visualisation du signal en mode A SCAN Visualisation des signaux en mode B scan Suivi par ultrasons d une aile d avion de CAP10 au cours d un essai de flexion 4 points Protocole expérimental Description et caractéristiques de l instrumentation ultrasonore Méthode de mesure Résultats Emission Acoustique Suivi par Emission Acoustique d essais de compression axiale sur des éprouvettes de bois Protocole expérimental Essai de compression axiale Instrumentation utilisée en Emission Acoustique 77 L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 3 / 105

4 Résultats Suivi de l essai de compression par Emission Acoustique Estimation de l endommagement et de la rupture par Emission Acoustique Suivi par Emission Acoustique d un longeron de CAP10 au cours d un essai de flexion 4 points Protocole expérimental Essai de flexion 4 points Instrumentation utilisée en Emission Acoustique Résultats Suivi par Emission Acoustique d une aile d avion de CAP10 au cours d un essai de flexion 4 points Protocole expérimental Essai de flexion 4 points Instrumentation utilisée en Emission Acoustique Résultats Système d acquisition SAMOS Système d acquisition Pocket EA Conclusions Typologie des criques et problématique du contrôle Méthodes de contrôle sélectionnées Analyse d image sur échantillons de validation Thermographie infrarouge sur échantillons de validation Rayons X sur échantillons de validation Imagerie en transmission (35 kv, 400 μa, 20 μm) Diffusion Compton (120 kv, 230 μa, 20 μm) Ultrasons Réflexion normale par couplage avec de l eau sur échantillons de validation Incidence variable par couplage avec de l eau sur un élément de longeron Essais ultrasonores par contact élastomère sur échantillons de validation Suivi par ultrasons d une aile d avion de CAP10 cours d un essai de flexion 4 points Emission Acoustique Emission Acoustique sur échantillons de validation Emission Acoustique sur morceau de longeron de CAP Emission Acoustique sur voilure de CAP Recommandations Coordonnées des auteurs Bibliographie 104 L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 4 / 105

5 1 Introduction Ce document constitue le rapport final de l étude n 06/084/MQ/FIN ayant pour objet la définition des moyens de contrôle non destructif permettant de découvrir des criques dans des structures en bois brut débité, à l exclusion des contreplaqués. Ces structures, en particulier les longerons, font partie de la structure d avions légers en bois, et notamment d avions de voltige tel que le CAP10. Cet avion de voltige constitue la référence de l étude en raison de la disponibilité d ailes hors service comportant des criques. Cet avion est de plus préférable à un avion de construction amateur car il a été construit en de nombreux exemplaires ; la flotte en service est donc importante. Le terme de crique de compression désigne une anomalie de structure présente sous la forme d une fracture ténue perpendiculaire aux fibres du bois. Une crique est causée par une déformation importante puis une rupture en compression des cellules du bois. La formation d une crique s accompagne de nombreuses fissures transversales dans le matériau. Tous les avions, quels qu ils soient, sont régulièrement vérifiés. Ces contrôles sont principalement visuels et externes. D autres visites telles que les "grandes visites" ou "révisions générales" sont plus poussées et nécessitent le démontage de certains éléments de l avion. L examen reste cependant visuel et subjectif. Certaines parties de l avion demeurent des plus inaccessibles et sont donc difficiles à inspecter. Les moyens de détection doivent permettre au mieux d assurer des contrôles soit lors de la construction initiale, soit lors du suivi de navigabilité pour tous les aéronefs de construction bois, aussi bien pour les appareils de série que pour les aéronefs de construction amateur. Le but de cette étude de faisabilité est de proposer un ou plusieurs moyens efficaces, non subjectifs et les moins coûteux possible. L étude s est déroulée en quatre phases : Phase 1 : Récolte des données existantes. o Définition de la problématique du contrôle non destructif et réalisation d une typologie des criques de compression observées sur CAP10. o Analyse des articles bibliographiques spécialisés relatifs aux criques de compression dans le matériau bois. o Recensement des méthodes de contrôle applicables à la problématique de détection des criques. Phase 2 : Sélection des méthodes de contrôle et fabrication des éprouvettes de test. o Elimination des méthodes de contrôle inapplicables pour la recherche de criques dans le matériau bois. Les méthodes de contrôle retenues sont étudiées dans les phases suivantes par des L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 5 / 105

6 laboratoires et des sociétés partenaires. o Fabrication des échantillons de test. Il s agit d endommager des échantillons de bois pour créer «artificiellement» des criques de compression représentatifs des criques observées réellement sur CAP10. A partir des échantillons endommagés, il s agit ensuite de réaliser des échantillons de validation. Ces échantillons de validation doivent être représentatifs d une semelle de longeron réelle. Phase 3 : Essais de validation des méthodes de contrôle retenues. o Essais des méthodes de contrôle sur les échantillons de validation. Ces essais permettent d étudier à la fois l aspect recherche fondamental et l aspect faisabilité du développement industriel. o Essais des méthodes sur un élément de longeron et une voilure de CAP10. Ces essais permettent d étudier directement l aspect faisabilité sur deux cas réels. Phase 4 : Analyse des essais de validation et recommandations. o Détermination de l efficacité de chaque méthode de contrôle par rapport à la problématique. o Recommandations concernant les méthodes les plus efficaces pour permettre la réalisation d un appareil de contrôle industriel. Des éléments à la fois financiers et de durée de développement sont pris en compte. CAP 10 (Source : L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 6 / 105

7 2 Typologie des criques dans les longerons d'avions légers 2.1 Voilure et longeron Figure 1 : Schéma d'une voilure monobloc (cas du CAP10). La voilure est l'un des éléments composant la cellule d'un avion (Figure 1). Elle assure la sustentation de l'appareil en générant une force appelée portance. Dans le cas d'un avion monoplan, la voilure est constituée de deux ailes. Chaque aile est constituée d'un (ou plusieurs) longeron attaché au fuselage (un longeron principal et un longeronnet dans le cas du CAP10). Les nervures supportent le revêtement supérieur, extrados, et inférieur, intrados. Les bords avant et arrière de l'aile sont le bord d'attaque et le bord de fuite. Figure 2 : Principe de construction d'un longeron reprenant uniquement les efforts de flexion (cas du CAP10). Dans le cas particulier du CAP10, le longeron est constitué par deux semelles en Epicéa de Sitka (Picea sitchensis) et par deux âmes en contreplaqué bouleau (Betula pendula) de 5 mm d'épaisseur (Figure 2 et Figure 3 - a, b). Les semelles sont obtenues par aboutage dans le sens de la longueur (aboutage par enture), dans le sens de la largeur (visible Figure 3 - b) et par collage de 5 lames (extrados) et 3 lames (intrados) de 12 mm d'épaisseur. La section transverse des semelles n'est pas constante dans la longueur (Figure 2). L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 7 / 105

8 (a) (b) Figure 3 : Schéma (a) et photographie (b) en coupe d'un longeron de CAP10 (Klinka, 1988). 2.2 Efforts mécaniques s'exerçant sur le longeron Les longerons dont le type est défini à la Figure 2 reprennent uniquement les efforts dus à la flexion (par opposition au type reprenant les efforts de flexion et de torsion dans le cas du DR400 par exemple). (source : Il est généralement considéré que, lorsque le longeron est soumis à un moment de flexion plane, les semelles travaillent en traction et en compression (Figure 4), et que l'effort tranchant est repris par les deux âmes en contreplaqué soumises à du cisaillement (Klinka, 1988; Vallat, 1945). Figure 4 : Distribution des contraintes normales dans la section d'un longeron (a) coupe transverse du longeron, (b) distribution associée (Vallat, 1945). Dans le cas du CAP10, le longeron est limité à +6g et -4,5g de facteur de charge (la masse maximale autorisée en évolution est de 760 kg). Cette L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 8 / 105

9 dissymétrie de facteur de charge admissible positif / négatif explique la différence d'épaisseur des semelles du longeron côté intrados / extrados. A charge limite, le moment de flexion est de N.m (moment admissible = N.m. Klinka, 1988). Les contraintes longitudinales, notamment fonctions du moment de flexion, sont maximales à l'endroit de l'encastrement (Figure 5). Figure 5 : Effort tranchant (T) et moment de flexion (Mf) à charge limite pour le CAP 10 (Source : DGAC). 2.3 Définition d'une crique Figure 6 : Crique de compression visible à la surface du bois (Bruce H, 2000). Le terme de crique de compression désigne une anomalie de structure présente sous la forme d une fracture ténue perpendiculaire aux fibres du bois dont l aspect à l échelle microscopique est dû à une rupture en compression avec une déformation importante des cellules accompagné de nombreuses fissures transversales dans les parois. Le résultat est l'apparition de rides irrégulières à la surface du matériau (Figure 6) dans le sens perpendiculaire à celui des fibres (effort de compression orienté dans le sens des fibres). (Bruce H, 2000). L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 9 / 105

10 Elle engendre dans la majorité des cas une très faible résistance à la rupture en traction longitudinale. Notons que le terme anglais équivalent est «compression failure». Elle a pour origine une déformation des fibres résultant d une contrainte en compression excessive, au-delà de la résistance à la rupture, dans le sens des fibres soit en compression pure soit en flexion. Il s agit d un flambement localisé (micro-flambement) des fibres et des autres éléments du bois. Les criques de compression indiquent une rupture définitive du matériau causée par une charge ou un choc excessif dans le sens des fibres du bois. 2.4 Observations des criques sur voilures en réparation Les observations ont été réalisées sur des longerons provenant de CAP10. Ces avions se trouvaient localisés à la société «Air Menuiserie» située près de la ville de Bernay (27230 Thiberville) pour réparation. Ces observations permettent de définir la problématique du contrôle énoncée ci-dessous. Les photographies, permettant d'illustrer la problématique, sont présentées en pages suivantes pour une meilleure lisibilité. Elles constituent la typologie des défauts. Le contrôle est avant tout nécessaire pour assurer le suivi de navigabilité pour tous les aéronefs de construction bois, aussi bien pour les appareils de série que pour les aéronefs de construction amateur. Figure 7 : Exemple de liaison entre les nervures et le longeron. Figure 8 : Exemple de liaison entre les nervures et le revêtement de la voilure. L'inspection des aéronefs en service implique au mieux de promouvoir les méthodes de contrôle capable de sonder des éléments de structure sans un accès direct à ces éléments (présence d'un élément de revêtement en contreplaqué Okoumé de 5mm d'épaisseur lié aux nervures, Figure 7 et Figure 8). Il convient de prendre en considération le sondage de la structure avec un accès direct dans le cas où le sondage sans accès direct n est pas possible pour des raisons techniques ou financières. L'objectif du contrôle est d'abord de déterminer la présence de criques dans les longerons d'avions de type CAP10 : existe t il des criques? Où sont-elles localisées? L'importance de la crique est une information secondaire (étendue en surface et en profondeur). L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 10 / 105

11 Figure 9 : Zones d'apparition des criques. Les criques sont situées aussi bien au niveau de l'intrados que de l'extrados de la voilure. Il existe des zones privilégiées de formation de ces criques. Ces zones sont situées à proximité immédiate de la liaison voilure / fuselage et s'étendent jusqu'à la liaison des trains d'atterrissage : soit 0,5 m environ (Figure 9). Ces zones correspondent au moment de flexion maximum. La totalité du longeron doit cependant pouvoir être inspectée. Un autre type d'endommagement a été observé montrant des amorces de rupture en traction. Ces types d'endommagement sont situés dans les mêmes zones que les criques. En voltige, l'alternance des facteurs de charge positifs et négatifs conduit à l'observation sur la même zone de ruines en compression et en traction. Détail de la fixation voilure / fuselage. Vue arrière. CAP232 (Photo CIRAD / FCBA). Détail de la fixation voilure / fuselage. Vue avant. CAP232 (Photo CIRAD / FCBA). L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 11 / 105

12 Voilure en cours de réparation. Revêtement contreplaqué découpé. Longeron apparent, vue extrados. CAP10 (Photo CIRAD / FCBA). Détail du longeron, vue extrados. Les parties retirées correspondent aux zones d'endommagement. Une pièce est ensuite collée pour reformer une semelle sans défaut. CAP10 (Photo CIRAD / FCBA). Détail d'une crique sur un longeron. La fissuration est visible car noircie par des impuretés. Cette fissuration est provoquée par ruine en compression puis inversion de charge et ouverture au niveau de l'endommagement déjà présent. La présence de traces d'humidité a également été détectée. CAP231 (Photo Air Menuiserie). L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 12 / 105

13 Même détail après avoir retiré une partie de l'épaisseur du longeron (profondeur environ 12 mm). La largeur de la fissure est de l'ordre de 0,1 mm en début de ruine en compression (jusqu'à 1 mm après fissuration). CAP231 (Photo Air Menuiserie). Autre détail de crique avec sur le côté gauche une rupture en traction (cercle rouge). CAP231 (Photo Air Menuiserie). L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 13 / 105

14 3 Phénoménologie et détectabilité des criques dans les structures bois 3.1 Généralités sur le matériau bois Le bois est un corps solide cellulaire, organique et naturel. C'est un matériau composite constitué d'un ensemble d'éléments chimiques, principalement de la cellulose, des hémicelluloses et de la lignine. Le bois est fortement anisotrope, ceci résultant de la forme allongée de ses cellules et de la structure orientée des parois cellulaires. (Racher, 1996). Le comportement mécanique du matériau bois est très largement conditionné par son état physique ; les principaux facteurs physiques sont la masse volumique, le taux d'humidité, la température et la durée d'application des efforts (Guitard, 1997 ; Racher, 1996). 3.2 Comportement mécanique en traction - compression Figure 10 : Allure schématique du diagramme contrainte déformation (traction et compression) pour du bois massif dans le sens longitudinal (Guitard, 1997). La différence du comportement mécanique du bois sollicité dans le sens longitudinal en traction et en compression est illustrée à la Figure 10. La courbe de traction permet de distinguer une zone sensiblement linéaire, dite élastique, suivie d'une zone non linéaire, dite plastique qui conduit à la rupture en traction. La rupture en traction du matériau bois présente un caractère «fragile». La courbe de compression présente le même type d'évolution ; la zone plastique est L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 14 / 105

15 cependant plus marquée qu'en traction. La rupture en compression du matériau présente un caractère «ductile». (Guitard, 1997). La contrainte de rupture en traction est supérieure à la contrainte de rupture en compression; l'ordre de grandeur du ratio contrainte en traction sur contrainte en compression est de 2 environ (Pluvinage, 1992). Figure 11 : Profils de rupture en traction (Kollmann, 1967). Figure 12 : Profil de rupture en compression (Kollmann, 1967). Figure 13 : Schéma des profils de rupture en compression (Kollmann, 1967). L'étude des faciès de rupture montre une différence nette entre les modes de ruine en traction et en compression (Guitard, 1997; Pluvinage, 1992). En traction, il y a rupture des fibres (Figure 11); en compression, il se produit un phénomène de flambement des fibres (Figure 12 et Figure 13). (Guitard, 1997; Kollmann 1967). 3.3 Comportement mécanique en flexion Figure 14 : Distribution des contraintes normales pour un moment de flexion négatif (Kerguignas, 1977). En flexion pure plane, les contraintes normales colinéaires au sens longitudinal du bois sont réparties linéairement dans la section droite, et sont maximales pour les points les plus éloignés de l'axe de flexion, axe neutre des contraintes (Figure 14). (Kerguignas, 1977). La distribution des contraintes de la Figure 14 est valable dans le domaine élastique du matériau. Cette répartition montre un gradient de contraintes de compression sur la face supérieure et un gradient de contraintes de traction sur la face inférieure de la poutre fléchie. Les différences comportementales observées en traction et en compression L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 15 / 105

16 déterminent alors le comportement du matériau en flexion (Kollmann, 1967). Figure 15 : Evolution des contraintes normales en flexion (Kollmann, 1968). Figure 16 : Morphologie des faciès de rupture en flexion. Rupture fragile en traction : cas d 3, rupture en compression : cas e 3, rupture par cisaillement des plans axiaux : cas f 3, ruptures mixtes : cas a 3, b 3 et c 3 (Pluvinage, 1992). La Figure 15 montre l'évolution des contraintes normales lorsque celles-ci augmentent (au cours d'un essai de flexion). La zone plastique est atteinte d'abord dans la zone comprimée ; ce qui conduit à un endommagement du matériau dans cette zone. La fin de l'essai de flexion se traduit par un endommagement du matériau en traction. (Kollmann, 1968; Pluvinage, 1992). Il est important de mentionner que l'analyse morphologique des ruptures du bois révèle de nombreux modes de ruine aussi bien en compression, en traction, qu'en flexion, qui sont fonctions du type de sollicitation, de la présence de défauts ou de plans de faiblesse du matériau (Pluvinage, 1992). Dans le cas de la flexion, les différents faciès sont présentés à la Figure 16 (rupture fragile en traction : cas d 3, rupture en compression : cas e 3, rupture par cisaillement des plans axiaux : cas f 3, ruptures mixtes : cas a 3, b 3 et c 3 ). Ces différents faciès obtenus montrent qu'il est très difficile de créer artificiellement une crique par flexion d'une éprouvette (le cas e 3 est alors le seul cas souhaité parmi les 6 cas possibles). 3.4 Résultats scientifiques obtenus sur la ruine en compression Caractérisation au niveau macrostructural Une étude des profils de rupture obtenus par essais de compression dans le sens longitudinal de résineux, de feuillus et d échantillons modèles fabriqués à partir de bois a été réalisée par Bariska (1985). Il est notamment mentionné que le développement de la ruine ne dépend pas seulement de la zone de faiblesse principale mais également de l historique des charges appliquées sur l échantillon. La manière dont ces charges ont été appliquées est également un facteur prépondérant. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 16 / 105

17 Figure 17 : Profil de ruine en compression axiale d'un échantillon modèle (Bariska et al., 1985). Il est observé que sous compression axiale et dans le cas des échantillons modèles (Figure 17), il se produit des fissures en cisaillement le long des éléments de structure axiaux, et par analogie, entre les cernes d accroissement pour du bois massif. De cette manière, des lamelles instables mécaniquement sont formées et ont tendance au flambement. Ce mécanisme de déformation est comparable entre échantillons modèles et échantillons de bois massif. Ellis (2002) a caractérisé le comportement en compression dans le sens longitudinal de cinq essences de bois (Fraxinus latifolia ; Shorea spp. ; Pseudotsuga menziesii ; Thuja plicata ; Populus tremuloides). Cette étude a montré qu'en compression longitudinale, la ruine s'est produite par rupture des plans du matériau aux interfaces entre les différentes couches successives de cellules (cernes d'accroissement). Cette observation est en accord avec les résultats de Bariska (1985). Caractérisation au niveau anatomique L initiation et la propagation des ruptures de compression dans du bois de pin ont été étudiées au niveau microscopique par Choi (1996). Les profils de déformation du bois apparaissent comme non uniformes mais étroitement liés à sa morphologie. Les zones de concentration de contraintes sont la plupart du temps situées autour des rayons. L'expansion de ces zones semble être déterminée par la taille et l'arrangement des rayons. Caractérisation au niveau microstructural L'étude de la rupture en compression au niveau microstructural a notamment été réalisée par Gong (2004). Cette étude montre que les dommages en compression du bois se manifestent d abord sous la forme de replis ou flambement des cellules. Un repli correspond à un changement microstructural permanent de la paroi des cellules et a pour effet la réorientation des microfibrilles dans la lamelle moyenne de la paroi S2. Il est important de mentionner les travaux de Bodner (1997) sur les phénomènes d initiation et de propagation de la rupture en tension dans le sens longitudinal du bois de réaction (compression) pour de l épicéa. Figure 18 : Trachéides de bois de compression après essai en tension longitudinale. Les flèches indiquent les dislocations latérales entre microfibrilles. (Bodner et al., 1997). L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 17 / 105

18 (1) (2) Figure 19 : Profils de rupture obtenus par essais cycliques en compression, ruine en compression diffuse (1), ruine en compression localisée (2). (Clorius et al., 2000). Bodner (1997) mentionne notamment que les microfibrilles ont tendance à se dissocier latéralement avant de se rompre (Figure 18), et également que l étendue de la dislocation latérale due à la dégradation de la matrice avant la rupture des microfibrilles augmente avec l angle des microfibrilles. (Bodner et al., 1997). Endommagement par essais cycliques Clorius (2000) a réalisé des essais de fatigue sur des échantillons de bois soumis à des cycles de charge et de décharge en compression longitudinale. De petits échantillons d épicéa sans défaut sont soumis à des essais cycliques de forme carrée à un niveau de charge correspondant à 80% de la force à rupture estimée par essai statique. Quatre fréquences allant de 0,01 hertz à 10 hertz sont utilisées. L observation des profils de rupture conduit à (1) une ruine en compression diffuse ou (2) une ruine en compression localisée et matérialisée en une forme de ride traversante (Figure 19). Les profils observables se développent dans les tous derniers cycles de charge et de décharge. La proportion de ruine diffuse augmente lorsque la fréquence décroît et lorsque la teneur en humidité augmente. Les résultats montrent également que le temps à rupture décroît lorsque la fréquence augmente. (Clorius et al., 2000). Effet de l'endommagement en compression sur la résistance mécanique L'endommagement en compression n'affecte pas considérablement la résistance à la compression. Le flambement des fibres, qui caractérise des ruines de compression, peut cependant sérieusement affecter la résistance à la traction, et par conséquent la résistance de la flexion du bois. (USDA, 1961). La résistance à la flexion statique est en effet fortement affectée par les ruptures en compression, avec une réduction moyenne de force de l ordre de 20% (pour du bois d épicéa). Le module d élasticité n est cependant que très peu affecté par la présence de ce type d endommagement (à l état sec). (Sonderegger et al., 2004). Détectabilité des criques de compression Le fait que le module d élasticité soit très peu affecté par la présence d'endommagement en compression, explique que ce type de défaut n'ait pas pu être détecté en utilisant l analyse des vibrations acoustiques (vitesse de propagation ou fréquences propres de vibration). (Sonderegger et al., 2004). Les méthodes d analyse des vibrations acoustiques ne seront donc pas retenues dans la suite de l étude. La détection de ce type de défaut est cependant possible par examen visuel puis au microscope. (USDA, 1961). La détection de rupture en compression par tomographie utilisant les rayons X est également possible (Sonderegger et al., 2004). Ce dernier résultat souligne l intérêt des rayons X pour la détection des criques. Par la suite, les rayons X seront utilisés en transmission et en diffusion Compton. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 18 / 105

19 4 Principales techniques de contrôle non destructif 4.1 Définition du contrôle non destructif Le contrôle non destructif permet de garantir la qualité et la sécurité des biens et donc des personnes. Une grande variété de méthodes existe et permet de détecter des anomalies internes ou de surface, de déterminer la composition ou la structure des matériaux, ou bien encore de mesurer certaines propriétés physiques. Les anomalies susceptibles d être repérées peuvent être : 1) Les anomalies introduites pendant l élaboration de la matière première. 2) Les anomalies introduites lors du processus de fabrication. 3) Les anomalies des installations en service (fatigue, corrosion, fissures). Ces méthodes sont utilisées lors de la mise en service sur chantier, en production ou bien en maintenance, que ce soit sur les matériaux, les assemblages, les équipements ou les installations. (Kouzoubachian, 2006). 4.2 Méthodes visuelles : Examen visuel, endoscopique ou télévisuel (Visual examination) Le contrôle visuel est le plus ancien des contrôles non destructifs. C est la méthode la plus utilisée de par le monde, car la moins chère à mettre en oeuvre. Le contrôle visuel nécessite néanmoins une compétence certaine pour reconnaître la nature des défauts observés. (Hellier, 2001). Il est généralement toujours réalisé en premier et peut servir d indicateur pour les autres méthodes de contrôle prévues. Il permet en effet de déceler les défauts débouchant (fissure, tapure, crique, arrachement...) ainsi que les désordres et dégradations causés par les conditions de service ou d environnement (corrosion, bleuissement, fissure de fatigue...). (Kouzoubachian, 2006). Figure 20 : Orientation de l'angle de vue pour un contôle visuel classique (Hellier, 2001). L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 19 / 105

20 Lors d un contrôle visuel, une attention particulière devra être apportée à l intensité de l éclairage, ainsi qu à son orientation (Figure 20). Distinction est faite entre le contrôle visuel direct (éventuellement aidé d un miroir ou d une lentille) et le contrôle visuel indirect (avec dispositifs d aide du type endoscope, fibres optiques couplés à des caméras ou tout autre instrument approprié, Figure 21 et Figure 22). (Hellier, 2001; Kouzoubachian, 2006). Figure 21 : Endoscope à fibre optique (Hellier, 2001). Figure 22 : Endoscope vidéo (Hellier, 2001). Un des dispositifs les plus utilisés est l endoscope pour les zones inaccessibles : comme en médecine humaine, c est un système rigide ou souple qui permet d inspecter des cavités internes (Figure 21). Il comporte des dispositifs d éclairage de la cavité, de génération de l image, de transport de cette image (électronique, lentilles ou fibres optiques) et enfin de restitution de l image afin de la rendre observable. (Hellier, 2001). 4.3 Méthode du ressuage (Liquid penetrant) Cette méthode complète l examen visuel en faisant apparaître des défauts de surface très fins dans un contraste coloré ou fluorescent. Elle est communément utilisée sur des matériaux non poreux comme les aciers ou l aluminium. Son principe est relativement simple et se déroule en plusieurs étapes. (Kouzoubachian, 2006). Figure 23 : Principe schématique du ressuage, (a) application du liquide sur une surface nettoyée, (b) infiltration du liquide dans l'anomalie, (c) élimination de l'excès de liquide, (d) application du révélateur, (e) interprétation (Shull, 2002). L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 20 / 105

21 La première étape consiste à bien nettoyer la pièce à contrôler. Un liquide coloré ou fluorescent dit pénétrant est ensuite appliqué sur la surface à contrôler (Figure 23). Il va s infiltrer par capillarité à l intérieur des anomalies (criques, fissures, porosités ), ce qui nécessite donc un temps d attente avant l étape suivante. L excès de pénétrant est ensuite éliminé par un lavage adapté. La surface est alors recouverte d une fine couche de révélateur qui, en agissant comme un buvard, absorbe le pénétrant contenu dans les anomalies et donne une tache colorée en surface plus large que l anomalie permettant ainsi de la localiser. On dit alors que le révélateur fait ressuer le pénétrant. De plus, le révélateur permet d obtenir un bon contraste visuel avec le pénétrant, facilitant ainsi le contrôle visuel. (Shull, 2002). Figure 24 : Matériau céramique comportant des fissures (Shull, 2002). Ces indications sont alors visibles à l œil nu (Figure 24). Dans certaines industries, on utilise un pénétrant fluorescent qui est révélé par un éclairage sous UV. Le ressuage s inscrit facilement dans les chaînes d usinage automatique en trempant les pièces ou en les aspergeant dans les bacs successifs de pénétrant, lavage et révélateur. L observation finale peut même être assurée par camera intelligente de reconnaissance de forme grâce aux récents développements de la visionique et du traitement d image. (Hellier, 2001; Kouzoubachian, 2006; Shull, 2002). 4.4 Méthodes d étanchéité (Permeability testing) Les contrôles d étanchéité permettent de prouver ou de déceler un passage de gaz d un côté d une paroi vers l autre côté. Ces contrôles sont complémentaires des autres techniques qui, la plupart du temps, mettent en évidence soit des défauts débouchant d un seul côté, soit des défauts non débouchant se situant près de la surface de la pièce ou en profondeur dans les matériaux, mais ne permettent pas de se prononcer sur le résultat d un défaut traversant. Plusieurs catégories de tests existent de nos jours : ceux qui prouvent que l appareil fuit, ceux qui localisent la ou les fuite(s) sur ce même appareil, et ceux qui prouvent et localisent simultanément la ou les fuite(s). (Bray, 1992; Kouzoubachian, 2006). Pour effectuer ces tests, il faut provoquer les fuites intentionnellement en créant une pression différente entre l amont et l aval de celles-ci afin d en forcer l écoulement gazeux. Cette différence de pression peut être obtenue dans la L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 21 / 105

22 plupart des cas par une surpression ou par une dépression par rapport à la pression atmosphérique. (Kouzoubachian, 2006). Il s agit ensuite de déceler et/ou de quantifier cette fuite par une des méthodes disponibles (Bray, 1992) : Méthodes dites sans gaz traceur : elles utilisent l air comme gaz de test (test à la bulle ou par variation de pression). Méthodes dites avec gaz traceur : utilisant un gaz de test différent de l air, alors appelé gaz traceur. Elles nécessitent des précautions particulières. Sont utilisés : l ammoniac (utilisation d une peinture révélatrice de couleur jaune qui réagit à la présence d ammoniac en devenant bleu à l endroit de la fuite), les halogènes ou l hélium. 4.5 Méthode magnétique: Magnétoscopie (Magnetic particle) C est une technique qui révèle les défauts de surface ou très proches de celleci, même non débouchant à la surface. Toutefois, elle ne s applique qu aux matériaux et alliages ferromagnétiques (fer, acier, fonte, alliages au chrome, etc.). (Bray, 1992; Kouzoubachian, 2006). La magnétoscopie utilise le fait qu une discontinuité présente dans une pièce métallique perturbe le trajet des lignes d un champ magnétique dans lequel la pièce a été préalablement placée. Cette perturbation sera maximale lorsque les lignes de champ seront perpendiculaires à l anomalie. (Shull, 2002). Selon l orientation connue des anomalies ainsi que la forme de la pièce, l une ou l autre voire les 2 techniques d aimantation suivantes sera utilisée (Figure 25) : - Par flux magnétique : cette technique entraîne une aimantation longitudinale par rapport à l axe de la pièce. Ce sont les anomalies transversales (perpendiculaires) qui perturberont les lignes de champ. - Par courant cette seconde technique consiste à transmettre à la pièce un courant qui crée un champ magnétique transversal à l axe de la pièce. Ce champ sera perturbé par les défauts longitudinaux (parallèles). (Hellier, 2001; Kouzoubachian, 2006). L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 22 / 105

23 Etude DGAC n 06/084/MQ/FIN Version révisée du 21 février 2008 Figure 25 : Principes de la magnétoscopie (Kouzoubachian, 2006). L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 23 / 105

24 Une poudre magnétique (sèche ou en suspension dans un liquide neutre) est ensuite projetée à la surface et se repartit de façon homogène si la pièce est saine. Lorsqu une anomalie est présente dans la pièce au voisinage de la surface, l orientation du flux magnétique est modifiée localement et son intensité en surface augmente. Il apparaît alors, à l aplomb du défaut, une agglomération de particules magnétiques qui révèle sa présence. L utilisation du courant continu pour l aimantation autorise une profondeur de détection jusqu à quelques millimètres. Le contrôle peut être effectué en lumière blanche avec des fonds contrastants et des traceurs (révélateurs magnétiques) colorés ou en lumière ultraviolette avec des traceurs fluorescents. (Kouzoubachian, 2006). 4.6 Méthode électromagnétique : Courants de Foucault (Eddy current) Cette méthode s applique à tous les matériaux conducteurs de l électricité. Elle consiste à placer la pièce dans un champ magnétique variable (dans le temps). Celle-ci est alors parcourue par des courants induits, appelés courants de Foucault, dont la distribution dépend des caractéristiques de la pièce. Ce champ lui est soumis via un capteur. Figure 26 : Discontinuités en présence de circulation de courants de Foucault, (a) discontinuité parallèle au flux, (b) discontinuité perpendiculaire au flux (Hellier, 2001). La présence d une discontinuité dans la pièce contrôlée perturbe la circulation des courants de Foucault et entraîne une variation de l impédance de ce capteur. Cette variation est notamment fonction de l'orientation de la discontinuité par rapport au flux de courants (Figure 26). (Hellier, 2001). Figure 27 : Inspection par courants de Foucault d'un disque de turbine, 4 capteurs avec 4 courbes de Lissajous (Shull, 2002). Elle est traduite en amplitudes et phases sur un écran sous forme de courbes dites de Lissajous (Figure 27). L interprétation des signaux recueillis se fait par L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 24 / 105

25 comparaison avec ceux fournis par une pièce de référence comportant des anomalies représentatives des phénomènes recherchés. (Bray, 1992; Shull, 2002). 4.7 Méthode thermique : Thermographie infrarouge (Thermal infrared testing) Figure 28 : Exemple d'image thermographique montrant des différences de transfert thermique avec le milieu (Hellier, 2001). Méthode d auscultation non intrusive, sans contact et très rapide, elle consiste en une interprétation des cartes thermiques (thermogrammes) des surfaces observées. (Hellier, 2001). Une distinction est faite entre la thermographie infrarouge passive, qui résulte de la simple observation des gradients thermiques sur une pièce ou un système, et la thermographie infrarouge active lorsqu une perturbation thermique a été volontairement générée pour le contrôle (par une source laser par exemple) (Shull, 2002). Les discontinuités dans la pièce se traduisent par des différences de température (points froids) sur l image (Figure 28). L acquisition des images thermiques s obtient alors à l aide d une camera de thermographie couplée à un ordinateur. (Hellier, 2001; Kouzoubachian, 2006). Cette méthode permet de détecter des défauts francs (délaminages, décollements) dans des pièces de faible épaisseur et dans des géométries relativement simples. Elle s applique à une grande variété de matériaux (matériaux plastiques, composites, interfaces entre métaux...) sans toutefois permettre de déceler des défauts profonds, du fait de son manque de sensibilité aux fortes épaisseurs. (Kouzoubachian, 2006). 4.8 Méthodes par acousto-ultrasons : Ultrasons et Emission acoustique (Ultrasonic and Acoustic emission) Les ultrasons sont des vibrations mécaniques, d origine électrique, qui se propagent dans un milieu solide ou liquide. Le principe consiste à émettre une onde ultrasonore qui se propage dans la pièce à contrôler et se réfléchit, à la manière d un écho, sur les obstacles qu elle rencontre (anomalies, limites de la pièce). Ces ondes sont émises par un ou plusieurs traducteurs manipulés par un L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 25 / 105

26 opérateur ou un système automatique. L utilisation d un couplant, généralement un gel aqueux, entre la sonde et la pièce, afin de permettre une bonne transmission des ondes entre elles est souvent nécessaire. (Hellier, 2001; Kouzoubachian, 2006). Figure 29 : Présentations des informations ultrasonores (Hellier, 2001). L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 26 / 105

27 Figure 30 : Transducteurs orientés pour un test en transmission et en réflexion (Shull, 2002). Les échos sont analysés sur un écran par le contrôleur ou traités dans une chaîne de mesure pour les installations automatiques. Cette méthode met en évidence des discontinuités de propriétés mécaniques situées à l intérieur des matériaux. Il existe plusieurs moyens de visualiser les informations obtenues (Figure 29). Typiquement, le A Scan présente une visualisation directe de l'énergie reçue; le B Scan présente une coupe transverse de la pièce testée; le C Scan présente une carte de l'objet testé. (Hellier, 2001). Il existe également plusieurs moyens de tester la pièce : notamment en transmission ou en réflexion (Figure 30). (Shull, 2002). L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 27 / 105

28 L émission acoustique utilise également la propagation des ondes dans les matériaux : lorsque la matière évolue, se déforme, se fissure sous l action d une contrainte extérieure (mécanique, thermique, chimique, etc.), il se crée spontanément des ondes élastiques (Figure 31). (Hellier, 2001; Kouzoubachian, 2006). Figure 31 : Principe de formation des ondes élastiques par fissuration en émission acoustique (Hellier, 2001). La libération discontinue d énergie sous forme de trains d ondes mécaniques se produit pour chaque changement de l état de la matière. Ces trains d ondes se propagent dans le matériau en fonction de ses propriétés acoustiques et de sa géométrie et parviennent aux capteurs installés sur l équipement à examiner (Figure 32). (Shull, 2002). Figure 32 : Amplitude des signaux émis jusqu'à rupture du matériau (Bray, 1992). Les signaux ainsi recueillis et traités par une chaîne de mesure permettent de localiser la zone de dégradation (réalisation d une cartographie) et d évaluer son intensité en fonction de la sollicitation imposée. La qualité des mesures repose donc en partie sur le choix judicieux et le positionnement des capteurs. (Bray, 1992; Hellier, 2001; Kouzoubachian, 2006). L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 28 / 105

29 4.9 Méthodes par rayonnements ionisants : Radiographie et tomographie (Radiology) Figure 33 : Domaines du spectre électromagnétique en fonction de la longueur d'onde, de la fréquence ou de l'énergie des photons (Source : Wikipedia). La radiographie met à profit l absorption par la matière des rayonnements électromagnétiques X ou gamma (Figure 33). (Shull, 2002). La distinction entre les rayons X des rayons gamma (qui sont de même nature et d'énergie semblable) vient de leur mode de production : les rayons X sont des photons produits par les électrons des atomes alors que les rayons gamma sont produits par les noyaux des atomes. (Bray, 1992). Les rayons X sont une forme de rayonnement électromagnétique à haute fréquence dont la longueur d'onde est comprise approximativement entre 1 picomètre et 10 nanomètres (Figure 33). Les rayons gamma possèdent une longueur d'onde très courte inférieure à 1 picomètre. Figure 34 : Principe de l'inspection radiographique (Bray, 1992). Figure 35 : Exemple de radiogramme sur trois produits métalliques de type vis. La vis centrale présente une anomalie zone sombre entourée en rouge (Shull, 2002). Le rayonnement résiduel non absorbé après la traversée de l objet est visualisé au moyen de films photographiques, d écrans fluorescents ou d autres détecteurs (Figure 34 et Figure 35). La radiographie permet essentiellement de découvrir des défauts internes (manque de matière). La quasi-totalité des matériaux peut être examinée en radiographie et les épaisseurs contrôlées peuvent être importantes. (Kouzoubachian, 2006). Le rayonnement gamma permet de traverser de grandes L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 29 / 105

30 épaisseurs (Figure 36). Figure 36 : Exemple de dispositif utilisant les rayons gamma (Hellier, 2001). Figure 37 : Principe de la reconstruction d'image en tomographie (Bray, 1992). La tomographie, qui utilise les rayons X, est l une des méthodes les plus récentes appliquées dans le domaine industriel. Elle a le même principe que le scanner médical. En effet, elle consiste à reconstruire à partir des mesures effectuées une succession de coupes en 2D (Figure 37). Ainsi, par agglomération, elle fournit une image 3D virtuelle complète d un objet. Elle permet de mesurer des densités, des dimensions, de rechercher des anomalies à l intérieur des objets ou bien encore d examiner en temps réel des matériaux soumis à des contraintes. L essor de cette méthode est essentiellement dû aux progrès de l informatique et à l augmentation des capacités de traitement, que ce soit dans le domaine médical ou industriel. (Bray, 1992; Kouzoubachian, 2006). La neutronographie est une autre méthode par rayonnement (Shull, 2002). Le neutron est une particule subatomique qui n'a pas de charge électrique. Les neutrons, avec les protons, sont les constituants du noyau de l'atome. Ce rayonnement pénétrant permet de voir les intérieurs des corps, comme des métaux, des minerais, des fluides et permet d'examiner leur structure à l'échelle atomique par diffraction. La spectroscopie neutronique permet d'étudier d'une manière unique les excitations des corps, comme les phonons et les vibrations atomiques. Un autre avantage des neutrons réside dans leur sensibilité magnétique. Les modes d interaction du rayonnement sur les objets étant très différents, les images issues des 2 techniques (rayons X et neutrons) sont en fait complémentaires. Les neutrons ont, en particulier, la capacité de visualiser des éléments contenant des atomes d hydrogène à travers des enveloppes métalliques. (Kouzoubachian, 2006 et Wikipédia). L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 30 / 105

31 4.10 Méthodes optiques (Optical methods) Techniques interférométriques et holographiques : Les techniques holographiques optiques mesurent des déformations sur la surface de l'objet testé. La mesure des déformations est effectuée en comparant le front d onde d un faisceau lumineux après réflexion sur l'objet testé avec le front d onde de ce même faisceau enregistré préalablement sur un hologramme, dans une configuration de référence (Figure 38). La lumière employée pour illuminer la surface du spécimen doit être cohérente et monochromatique. La source lumineuse généralement employée est alors un laser. Les films à haute résolution sont une autre nécessité pour l'holographie. Un défaut peut être détecté si en soumettant l'objet à une contrainte, cette contrainte crée une déformation anormale de la surface autour du défaut (Figure 39). (Brun, 2006 ; Diederichs, 2006). Figure 38 : Principe de l interférométrie d après Brun (2006). Figure 39 : Défaut structurel par une modification de la signature du mode vibratoire (Brun, 2006). L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 31 / 105

32 L interférométrie de speckle a été inventée pour pallier les insuffisances de l holographie dans le domaine de l interférométrie en ce qui concerne le milieu d enregistrement (des plaques et films argentiques, puis des films thermoplastiques). Contrairement à l interférométrie holographique classique, l interférométrie de speckle permet l utilisation de caméras CCD pour calculer et visualiser le champ des déplacements d un objet (Figure 40). (Diederichs, 2006). Figure 40 : Principe de la TV-holographie (ESPI) d après Ettemeyer (2004). Figure 41 : Exemple d application industrielle de la technique de shearographie (Huber, 2006). L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 32 / 105

33 L interférométrie de speckle est très adaptée aux applications industrielles (appareils plus compacts et facilement transportables, coûts plus faibles, traitement numérique des données en temps quasi réel...) et s est donc beaucoup développée ces dernières années au point de remplacer progressivement les systèmes de contrôles non destructifs holographiques existant (Figure 41). La shearographie et la TV-holographie (ESPI) comptent parmi les nombreuses techniques d interférométrie de speckle utilisées. Ces techniques sans contact, plein champ, et en quasi-temps réel permettent de mesurer des déplacements de l ordre de quelques nanomètres entre deux états successifs d un objet. (Ettemeyer, 2004 ; Huber, 2006). Figure 42 : Principe de l intercorrélation d image en 2 dimensions d après Ettemeyer (2004). Figure 43 : Exemple d un essai de rupture sur un échantillon de grande taille (Ettemeyer, 2004). Figure 44 : Dispositif «Shape View» d après Fournier (2006). Intercorrélation d images : La technique de corrélation d'image numérique emploie des caméras de haute résolution pour observer la surface de l'objet testé. Le principe est illustré à la Figure 42. Si on observe une structure avec deux caméras, chaque point est associé à un certain pixel dans le plan d'image de chaque caméra. Connaissant les positions exactes des caméras l une par rapport à l autre, la position du point de structure peut être identifiée dans le même système de coordonnées. Tandis que l'objet est déformé, des images peuvent être enregistrées par les deux caméras et les mêmes procédures de corrélation déterminent le décalage dimensionnel des points de l'objet (Figure 43). Les algorithmes modernes de corrélation réalisent une résolution de déplacement jusqu'à 1/100 de pixel, ayant pour résultat des niveaux de déformations - contraintes associées. Ceci correspond à un facteur de 10 à 50 fois moins sensible que la technique ESPI. (Ettemeyer, 2004). L analyse des images peut être réalisée en 2 ou en 3 dimensions. La Figure 44 montre un exemple d application industrielle de la technique d intercorrélation d image. L'information visuelle est employée pour analyser les imperfections de forme de la surface testée, telles que des bosselures. Les caractéristiques initiales du système sont d'être autonome et portatif (résolution spatiale : 5 millimètres). (Fournier, 2006). L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 33 / 105

34 4.11 Tableau des avantages et des inconvénients Avantages Examen visuel, Endoscopie (Hellier, 2001) Rapidité de la technique. Apparente facilité. Ne nécessite que peu de matériel. Large domaine d'application. Méthode du ressuage (Source : Bonne sensibilité de détection des fissures. Orientation des défauts sans influence. Large domaine d'application. Méthodes d'étanchéité (Bray, 1992) Techniques variées disponibles. Large domaine d'application (matériaux). Magnétoscopie (Source : Détectabilité de 1 à 2 mm sous surface. Plusieurs méthodes d'aimantation. Défauts pouvant être obstrués. Courants de Foucault (Source : Défauts débouchant (même obstrués). Situés à des profondeurs faibles (mm). Discrimination des types d'anomalies. Mesures automatiques possibles. Mesures possibles à haute température. Thermographie infrarouge Rapidité de la technique. Dispositifs portables de bonne qualité. Large domaine d'application. Ultrasons (Source : Grand pouvoir de pénétration. Sensibilités variables, grande précision possible. Localisation et dimensionnement des défauts. Rapidité de mise en oeuvre et transportabilité. Emissions acoustiques (Hellier, 2001) Contrôle en service possible, large domaine d'application. Méthode de contrôle globale. Contrôle en temps réel. Radiographie par rayons X ou gamma (Source : Examen possible en temps réel. Sensibilités variables, grande précision possible. Sondage en profondeur (traversant). Transportabilité (générateurs de rayons x de faibles énergies, appareils de radiographie gamma portatifs d'environ 20 kg ). Méthodes optiques Inspection rapide. Large zone d inspection. Sans contact. Inconvénients Examen visuel, Endoscopie (Hellier, 2001) Nécessite un opérateur expérimenté. Interprétation subjective. Détection des défauts en surface. Méthode du ressuage (Source : Fissures débouchantes et non obstruées. Nécessite un opérateur expérimenté. Elimination de produits chimiques. Méthodes d'étanchéité (Bray, 1992) Techniques très spécifiques. Sensibilité dépend de la technique utilisée. Magnétoscopie (Source : Métaux démagnétisables. Non applicable au bois. Difficile pour des grandes pièces. Risques d'amorçage d'arc. Démagnétiser et nettoyer les pièces après. Courants de Foucault (Source : Matériaux électroconducteurs. Non applicable au bois. Sensible à de nombreux paramètres dont il faut maîtriser la variation. Difficile pour des pièces de formes complexes. Mesures locales. Thermographie infrarouge Inspection surfacique. Difficulté d'interprétation des images. Transfert thermique difficile à générer parfois. Ultrasons (Source : Opérateur expérimenté. Sensible aux effets structure / anisotropie et à la géométrie. Couplage piece / traducteur. Emissions acoustiques (Hellier, 2001) Sensibilité aux perturbations extérieures. Problème de répétabilité de la mesure. Difficulté si matériaux absorbants. Radiographie par rayons X ou gamma (Source : Coûts de fonctionnement élevés. Opérateur expérimenté. Rayonnements dangereux. Réglementation souvent contraignante. Méthodes optiques Détection des défauts en surface. Nécessite un opérateur expérimenté. Importance de la qualité du mouchetis et du calibrage. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 34 / 105

35 5 Sélection des méthodes de contrôle 5.1 Critères de sélection Les critères de sélection sont définis dans le Tableau 1. Dénomination Matériau Applicable Interprétation Définition Méthode utilisable sur le matériau bois. Méthode applicable à la problématique de contrôle. Méthode non subjective. Profondeur Méthode capable de sonder le matériau en profondeur (1). Accessibilité Sondage sans accès ou avec accès direct (2). Résolution Largeur 0,1 mm ; profondeur 10 mm (3). Tableau 1 : Définition des critères de sélection. (1) : Une crique est visible à la surface du matériau mais ne doit pas être considérée comme un défaut de surface. C'est l'endommagement du matériau en profondeur qui augmente très significativement les risques de ruine complète de la structure. (2) : Les méthodes capables de sonder la structure sans un accès direct sont privilégiées. (3) : Si la profondeur est supérieure à 10 mm, alors la crique doit être détectée. La résolution fixée correspond à la limite haute envisageable. Les techniques non destructives doivent avoir une valeur de résolution inférieure à celle fixée dans le Tableau Notation des méthodes selon les critères Le système de notation ci-dessous est utilisé pour sélectionner les méthodes de contrôle (Tableau 2). Dans les cas de négation du critère ou de déséquilibre de notation entre les méthodes, les notations sont justifiées. Dénomination Définition - Négation du critère ; note éliminatoire. + Recevable ; moyen. ++ Recevable ; bon. +++ Recevable ; très bon. Tableau 2 : Définition du système de notation. 5.3 Application des critères Méthodes visuelles : Examen visuel, endoscopique ou télévisuel (Visual examination) Le contrôle visuel nécessite une compétence certaine pour reconnaître la nature des défauts observés. L'interprétation des observations est subjective. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 35 / 105

36 Méthode du ressuage (Liquid penetrant) Cette méthode complète l examen visuel en faisant apparaître des défauts de surface très fins dans un contraste coloré ou fluorescent. Ces indications sont alors visibles à l œil nu. Cette méthode permet de détecter les défauts de surface de type fissure ouverte. Une crique n'est pas caractérisée par une fissuration du matériau mais par une déformation comparable à une plissure. Le bois est de plus un matériau poreux, ce qui pose des problèmes de mise en œuvre de cette méthode (diffusion du liquide dans les tissus biologiques et difficulté d élimination du liquide et du révélateur en fin de contrôle). Méthodes d étanchéité (Permeability testing) Les contrôles d étanchéité permettent de prouver ou de déceler un passage de gaz d un côté d une paroi vers l autre côté. Il faut provoquer des fuites intentionnellement en créant une pression différente entre l amont et l aval de celles-ci afin d en forcer l écoulement gazeux. Le contrôle d'étanchéité est une technique très spécifique qui n'est pas applicable pour la problématique de contrôle définie en phase 1. Méthode magnétique: Magnétoscopie (Magnetic particle) Cette technique ne s applique qu aux matériaux et alliages ferromagnétiques (fer, acier, fonte, alliages au chrome, etc.). Le matériau bois ne peut être sondé par cette méthode. Méthode électromagnétique: Courants de Foucault (Eddy current) Cette méthode s applique à tous les matériaux conducteurs de l électricité. Le matériau bois ne peut être sondé par cette méthode. Méthode thermique : Thermographie infrarouge (Thermal infrared testing) Méthode d auscultation non intrusive, sans contact et très rapide, elle consiste en une interprétation des cartes thermiques (thermogrammes) des surfaces observées (un échange thermique doit se produire entre l'objet testé et l'extérieur). Cette méthode permet de détecter des défauts francs sans permettre de déceler des défauts profonds. La thermographie infrarouge permet de détecter des défauts de surface ou situés à une faible profondeur. Un accès direct à la surface testée est nécessaire. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 36 / 105

37 Méthodes par acousto-ultrasons : Ultrasons et Emission acoustique (Ultrasonic and Acoustic emission) Ultrasons : L utilisation d un couplant entre la sonde et la pièce est souvent nécessaire. La détection des défauts est possible à l intérieur des matériaux. Il existe également plusieurs moyens de tester la pièce : notamment en transmission ou en réflexion. Émission acoustique : Localisation de la zone de dégradation (réalisation d une cartographie) et évaluation de son intensité en fonction de la sollicitation imposée (l'objet doit être déformé). Ces deux méthodes permettent de sonder un matériau en profondeur. Dans certaines conditions de continuité de la matière, il n'est pas nécessaire d'avoir un accès direct. Le sondage en réflexion est adapté à la problématique de contrôle. Méthodes par rayonnements ionisants : Radiographie et tomographie (Radiology) Les rayons X (longueur d'onde entre 1 picomètre et 10 nanomètres) et gamma (longueur d'onde inférieure à 1 picomètre) permettent de découvrir des défauts internes (manque de matière). Le rayonnement gamma permet de traverser de grandes épaisseurs. La radiographie permet de sonder un matériau en profondeur. Il n'est pas nécessaire d'avoir un accès direct à la zone d'intérêt. Cette méthode de sondage possède de plus une très bonne résolution spatiale (Figure 45). Figure 45 : Comparaison des méthodes 'Rayons X', 'Ultrasons', 'Courants de Foucault' et 'Mesures optiques' en fonction de la localisation du défaut détectable et de la résolution spatiale. D'après : Bergmann R.B., Bessler F.T., Bauer W. (2006), «Non-Destructive Testing in the Automotive Supply Industry - Requirements, Trends and Examples Using X-ray CT», 9th European Conference on Non-Destructive Testing, sept., Berlin, Allemagne. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 37 / 105

38 Méthodes optiques (Optical methods) Techniques interférométriques et holographiques : Ces techniques mesurent des déformations sur la surface de l'objet testé (l'objet doit être déformé). Ces techniques sans contact permettent de mesurer des déplacements de l ordre de quelques nanomètres entre deux états successifs d un objet. Intercorrélation d images : Cette technique mesure des déformations sur la surface de l'objet testé (l'objet doit être déformé). Elle possède une sensibilité 10 à 50 fois moindre que l'interférométrie. Les méthodes optiques permettent de détecter des défauts de surface. Un accès direct à la surface testée est nécessaire. 5.4 Tableau de synthèse Méthode \ Critère Matériau Applicable Interprétation Profondeur Accessibilité Résolution Résultat Visuelle / / / 0 Ressuage / / 0 Etanchéité + - / / / / 0 Magnétique - / / / / / 0 Electromagnétique - / / / / / 0 Thermique Acousto-ultrasons Rayonnement Optique Tableau 3 : Sélection des méthodes les plus adaptées à la problématique de contrôle. Les méthodes sélectionnées sont repérées par des zones grisées. Les méthodes de contrôle sélectionnées dans le Tableau 3 sont la thermographie infrarouge, les méthodes acoustiques (ultrasons et émission acoustique), les méthodes radiographiques (rayons X, Gamma) et les méthodes optiques (analyse d'image). Certaines méthodes sélectionnées sont complémentaires ; l'association de plusieurs de ces méthodes peut augmenter le pouvoir de détection du protocole de contrôle mis en œuvre : Rayons X et Gamma Inspection en profondeur sans accès direct. Ultrasons Inspection en profondeur avec accès direct. Analyse d'image Inspection en surface avec accès direct. Seule cette méthode est envisagée car il n'est pas nécessaire de solliciter mécaniquement l'objet contrôlé. Cette méthode est analogue à un examen visuel ; elle est cependant non subjective. Thermographie Inspection en surface avec accès direct (la surface doit être préalablement chauffée). Émission acoustique Écoute passive et localisation sans accès direct Suivi en vol. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 38 / 105

39 6 Méthodologie expérimentale 6.1 Réalisation des échantillons de validation Essais d'endommagement L'essence de bois utilisée est de l'epicéa de Sitka (Picea sitchensis) constitutive des semelles des longerons de CAP10. Chaque échantillon est, pour autant que possible, de droit fil, sans nœud ni défaut. Les échantillons ont la forme d un prisme droit à section rectangulaire. Les dimensions sont (hauteur x largeur x longueur) : 10 x 40 x 100 mm 3, 10 x 50 x 100 mm 3, 10 x 60 x 100 mm 3 10 x 40 x 150 mm 3, 10 x 50 x 150 mm 3, 10 x 60 x 150 mm 3 10 x 40 x 200 mm 3, 10 x 50 x 200 mm 3, 10 x 60 x 200 mm 3 10 x 40 x 300 mm 3, 10 x 50 x 300 mm 3, 10 x 60 x 300 mm 3 Au total, 12 modalités sont ainsi définies. Chaque modalité correspond à 2 lots de 5 échantillons. Les axes des échantillons sont orientés selon les axes de symétrie du matériau bois ; la section transverse correspond au plan radial (largeur) tangentiel (hauteur) et la longueur correspond à l'axe longitudinal du matériau. Ce mode de découpe est analogue à celui utilisé pour la fabrication des semelles de longeron de CAP10. Les échantillons sont préalablement conditionnés dans une ambiance caractérisée par une température de 20 C ± 2 C et 65% ± 5% d'humidité relative de l'air. L'humidité de référence est alors de 12%. (a) (b) Figure 46 : Essai de compression axiale (a : début et b : apparition de la crique avant arrêt). L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 39 / 105

40 Les échantillons de chaque lot 1 sont soumis à un essai de compression axiale selon la norme NF B (Sept. 1985) de manière à créer artificiellement des criques de compression sans toutefois terminer l'essai à la rupture des pièces (Figure 46). Les essais sont arrêtés par l'opérateur dès l'apparition des plissures caractéristiques des criques de compression. Cinq éprouvettes ont été isolées pour constituer des échantillons de validation sains. Au cours des essais, 9 échantillons sur 55 ont échoué (pas de crique), soit un taux d échec de 16%. C est souvent l extrémité de l éprouvette qui a encaissé l effort qui s est affaissée, empêchant ainsi le flambement de se produire (Figure 47). Figure 47 : Exemple d affaissement de l extrémité par essai de compression axiale. L essai de compression axiale est préférable à un essai de flexion en raison des difficultés à créer artificiellement une crique par flexion d'une éprouvette. L'amorce de rupture se produit par flambement des éprouvettes. L'essai est alors analogue à un essai de flexion ; l'amorce de rupture en compression est «guidée» pour favoriser l'apparition d'endommagement franc de même type que celui des criques réellement observé. Dans le cas d'un essai de compression et selon le mode de débit retenu, les criques se développent en profondeur dans le plan LT (les plis en surface sont dans le plan LR). Les échantillons des études préliminaires étaient endommagés de la même manière. Il en est de même pour les lamelles constitutives des semelles de longeron de CAP Confection des échantillons de validation Dans le cas particulier du CAP10, le longeron est notamment constitué par deux semelles en Epicéa de Sitka (Picea sitchensis) obtenues par aboutage dans le sens de la longueur, dans le sens de la largeur et par collage de 5 lames (extrados) et 3 lames (intrados) de 12 mm d'épaisseur. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 40 / 105

41 Figure 48 : Collage sous presse avec la colle Sader Marine. Afin de façonner des échantillons de validation les plus représentatifs des éléments de longeron comportant des criques de compression, chaque échantillon du lot 1 est collé à un échantillon du lot 2 comme indiqué à la Figure 48. Le collage est fait avec une colle de menuiserie, la colle Sader Marine (Base résorcine-phénol-formol, Fabriquant CECA S.A., Paris). Les échantillons ont ensuite été placés sous presse entre deux plateaux chauffés à 40 C pendant deux heures et demie (Figure 48). Au total, 51 échantillons de validation sont confectionnés et identifiés {410, 510, } (Figure 49 et Tableau 4). Le chiffre des centaines renseigne la largeur et celui des dizaines, la longueur. L identifiant est suivi par {/26, /37 }. Les chiffres des dizaines et des unités renseignent le numéro individuel de chaque échantillon avant collage ( /26 signifie que l échantillon 2 est collé avec l échantillon 6). Le chiffre des dizaines correspond au numéro de l échantillon comportant une ou plusieurs criques Effectif Rupture partielle Très réussi Réussi Criques Crique disperséespeu visible Figure 49 : Répartition de l importance de l endommagement (observation visuelle des criques). L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 41 / 105

42 Famille Référence Analyses Classement Observations /26 Rayons X 1 Rupture partielle (très endommagée) 410/37 Thermographie 3 Réussite 410/48 Ultrasons - LMA 3 Réussite /24 Ultrasons-EPA 3 Réussite 510/101 Ultrasons - LMA 3 Réussite /48 Rayons X 3 Réussite 610/57 Thermographie 2 Très réussie SI=610/16 Thermographie X Couple Saine/Saine /29 Rayons X 3 Réussite 415/38 Thermographie 4 Profondeur droite illisible 415/47 Ultrasons-EPA 3 Réussite 415/56 Ultrasons-EPA 3 Réussite /23 Ultrasons-EPA 4 Plusieurs petites criques dispersées 515/48 Rayons X 4 Profondeur gauche illisible car nœud 515/610 Ultrasons - LMA 4 Profondeur gauche en plein nœud, très visible 515/71 Thermographie 4 Petit nœud plein centre SII=515/53 Rayons X X Couple Saine/Saine /73 Thermographie 3 Réussite 615/92 Ultrasons - LMA 4 Plusieurs petites criques dispersées 615/101 Rayons X 2 Très réussie SIII=615/64 Ultrasons - LMA X Couple Saine/Saine /16 Thermographie 3 Réussite 420/27 Rayons X 3 Réussite 420/38 Ultrasons-EPA 5 Crique à peine visible 420/49 Ultrasons-EPA 3 Réussite 420/510 Ultrasons - LMA 5 Crique à peine visible /110 Rayons X 3 Réussite 520/29 Ultrasons - LMA 3 Réussite 520/38 Ultrasons-EPA 4 Plusieurs petites criques dispersées 520/47 Ultrasons-EPA 3 Réussite 520/56 Thermographie 4 Plusieurs petites criques dispersées /29 Ultrasons-EPA 5 Crique à peine visible 620/38 Thermographie 3 Réussite 620/47 Rayons X 3 Réussite 620/56 Ultrasons-EPA 4 Profondeur droite à peine visible SIV=620/110 Ultrasons-EPA X Couple Saine/Saine /110 Ultrasons - LMA 5 Crique à peine visible 430/29 Ultrasons - LMA 5 Crique à peine visible 430/38 Ultrasons-EPA 4 Profondeur droite et gauche non visible 430/47 Ultrasons - LMA 4 Profondeur droite et gauche non visible 430/56 Ultrasons-EPA 1 Rupture partielle (très endommagée) /16 Ultrasons-EPA 3 Réussite 530/27 Ultrasons - LMA 5 Crique à peine visible 530/38 Ultrasons - LMA 1 Rupture partielle (très endommagée) 530/49 Ultrasons - LMA 3 Réussite 530/510 Ultrasons - LMA 5 Crique à peine visible /28 Ultrasons-EPA 5 Crique à peine visible 630/37 Ultrasons-EPA 4 Plusieurs petites criques dispersées 630/49 Rayons X 3 Réussite 630/510 Thermographie 3 Réussite SV=630/16 Ultrasons - LMA X Couple Saine/Saine Tableau 4 : Recensement et caractéristiques des échantillons de validation. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 42 / 105

43 6.2 Répartition des activités de recherche Les méthodes non destructives retenues sont : les ultrasons, l émission acoustique, l analyse d image, les rayons-x et/ou Gamma et la thermographie infra rouge. La répartition des activités et l organisation de l étude est schématisée à la Figure 50. Ces méthodes requièrent un savoir faire spécifique et complexe. Le CIRAD et le FCBA ont donc fait appel à des laboratoires partenaires : le LMA, le CNDRI et à des sociétés partenaires EPA, ThermoConcept. L ensemble des intervenants ont effectué les actions de recherche suivantes : FCBA : o Usinage des échantillons sains. o Essais sur longeron et aile de CAP10 avec la société EPA. CIRAD : o Confection des échantillons de validation. o Analyse d image sur échantillons de validation. o Suivi de l ensemble des activités de recherche. LMA : o Ultrasons en cuve sur échantillons de validation avec CIRAD. o Ultrasons en cuve sur un morceau de longeron de CAP10. EPA : o Ultrasons par contact élastomère sur échantillons de validation. o Emission acoustique sur échantillons de validation avec CIRAD. o Emission acoustique sur longeron et aile de CAP10. CNDRI : o Rayons-X en transmission sur échantillons de validation. o Rayons-X par diffusion Compton sur échantillons de validation. TC : o Thermographie infra rouge sur échantillons de validation. FCBA : Forêt Cellulose Bois-construction Ameublement. (Mécanique des Matériaux). CIRAD : Centre de coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement. (UPR 40 - Bois Tropicaux). LMA : Laboratoire de Mécanique et d'acoustique (CNRS UPR-7051). EPA : Euro Physical Acoustics ( CNDRI : Contrôle Non Destructif par Rayonnements Ionisants (INSA Lyon). TC : ThermoConcept ( L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 43 / 105

44 Usinage des échantillons : FCBA Création des criques par flambement en compression Fabrication des échantillons de validation Analyse d image : CIRAD Ultrasons en cuve : LMA Ultrasons par contact élastomère : EPA Rayons X : CNDRI Thermographie : ThermoConcept Essais destructifs en compression axiale : CIRAD Essais réalisés pour valider la méthode par Emission Acoustique : EPA Synthèse des résultats sur échantillons de validation : CIRAD et FCBA Essais destructifs en flexion 4 points sur un longeron et une aile de CAP10 : FCBA Essais réalisés pour valider les méthodes par Emission Acoustique :EPA Acousto-ultrasons :EPA Synthèse des résultats sur longeron et aile de CAP10 : CIRAD et FCBA Figure 50 : Organisation des activités de recherche. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 44 / 105

45 7 Analyse d image 7.1 Protocole expérimental Après confection, tous les échantillons ont été scannés à plat (12 points par mm). L éclairage est orienté perpendiculairement à l échantillon. Les images sont ensuite analysées avec la version 1.36b du logiciel ImageJ (domaine public, disponible à l adresse Le logiciel ImageJ a été créé par un institut américain «National Institutes of Health (NIH)». 7.2 Résultats Figure 51 : Exemple d interface utilisateur d imagej disponible sur ImageJ permet d utiliser beaucoup de fonctions standards de traitement d'image (Figure 51) : visualisation et ajustement de l histogramme des niveaux de gris, débruitage, correction d éclairage, détection des contours, transformation de Fourier directe et inverse, seuillage, opérations logiques et arithmétiques entre images, et d une manière générale, tout type de transformation linéaire par définition personnalisée de masques. Des traitements issus de la morphologie mathématique sont aussi disponibles comme l érosion dilatation. ImageJ permet également de dénombrer des particules, d évaluer leurs ratios d aspect, de mesurer diverses grandeurs (distances, surfaces ), d extraire des coordonnées de contours par exemple. Les résultats sont présentés par l exemple de l échantillon B530/49. L image couleur est convertie en image 8bits à niveau de gris. Cette image est ensuite inversée en négatif (Figure 52). La plissure caractéristique de la présence d une crique devient alors nettement visible. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 45 / 105

46 (a) Figure 52 : Passage de l image originale (a) à l image 8bits inversée (b) en niveau de gris (B530/49). Un seuil est ensuite défini à partir de l histogramme des niveaux de gris afin de mettre en évidence le contour de la crique (Figure 53). (b) (a) Figure 53 : Ajustement du seuil (a) de l image 8bits inversée (B530/49) et résultat (b). Cette méthode, très simple, de traitement d image a été appliquée à l ensemble des échantillons afin de vérifier si les criques pouvaient être mises en évidence. Dans certains cas, la texture naturelle du bois masque complètement la crique. L utilisation de cette méthode serait alors possible en inspection si : Le contrôle est fait sous plusieurs angles d incidence de l éclairage. Les déformations des images obtenues dues à l optique de l imageur et aux différents angles d incidence peuvent être corrigées en induisant L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 46 / 105 (b)

47 une résolution suffisante. Les variations de texture naturelle du bois peuvent être éliminées par un filtrage approprié de l image. 8 Thermographie infrarouge Cette étude a été réalisée par la société THERMOCONCEPT. TREFLE ENSAM -Esplanade des Arts et Métiers, TALENCE CEDEX 8.1 Méthodologie expérimentale du contrôle non destructif par thermographie infrarouge L objet de cette étude est de valider la faisabilité de détection des amorces de ruine en compression des fibres du bois en surface des échantillons (crique de compression). La méthodologie, présentée à la Figure 54, a été appliquée pour la mise au point d un dispositif de mesure de détection de délaminage dans les matériaux composites. Le banc d essais (Figure 54) est constitué d un imageur thermique, d une source d excitation et d une unité de traitement avec une carte d acquisition d images. Lampe infrarouge Imageur thermique Système d acquisition Echantillon Traitements et résultat Figure 54 : Schéma du principe des essais de thermographie infrarouge. La source d excitation peut par exemple être une simple lampe halogène de 500W ou une lampe infrarouge, avec laquelle il est possible d exciter l échantillon en jouant sur plusieurs paramètres : distance à l échantillon, durée de l excitation. Ce type d excitation a l avantage d être sans contact, et en face avant du matériau, ce qui rend les manipulations plus faciles. Il est difficile de quantifier l énergie globale apportée au matériau. Les méthodes de traitement développées ne font cependant pas intervenir le flux d excitation de l échantillon, cela n influence donc pas les résultats des essais. La caméra infrarouge collecte les données thermiques pour les transmettre à l unité de traitement. Les algorithmes nous permettent d utiliser des imageurs de faible coût, délivrant des signaux très bruités, par exemple une caméra infrarouge non étalonnée de type bolométrique de marque Raytheon, modèle PalmIR 250. Ce genre de caméra enregistre 30 images par seconde, et est un imageur thermique qui ne permet pas un accès direct au champ de températures absolues, mais à un champ proportionnel, suffisant pour le traitement relatif au contrôle non destructif. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 47 / 105

48 L unité de traitement permet d enregistrer et de traiter les informations provenant de la caméra, elle fournit un résultat sous forme d images et de courbes décrivant l évolution des paramètres choisis (détection de délaminage, d inclusion, estimation de densité, d épaisseur, ). Les différents traitements des images sont réalisés à l aide de logiciels développés par la société THERMOCONCEPT. Caméra infrarouge PALMIR 250 Excitation face avant Excitation rasante Caméra infrarouge OMEGA Echantillon Echantillon (a) Figure 55 : Photos des dispositifs expérimentaux utilisés (a) excitation rasante, (b) excitation face avant. Les étapes du contrôle consistent à réaliser une excitation thermique de l échantillon et à mesurer la réponse en température de l échantillon à l aide d un imageur thermique (Figure 55). Un traitement de la rafale d images adapté à l excitation, à la nature des matériaux, est réalisé afin de localiser les éventuels défauts de l échantillon. Cette localisation s effectue par l intermédiaire d une cartographie établie à partir d un paramètre représentant les propriétés thermo - physiques du matériau en chaque pixel. L image finale obtenue révèle alors les défauts de l échantillon. Ils peuvent être de type résistif (inclusions, défauts de délaminage), des défauts de sur - densité ou de sous - densité locale. L objectif du traitement est double : il doit d une part permettre d estimer des variations de paramètres pertinents pour localiser les zones de défauts, et éliminer d autre part le bruit du signal fourni par l imageur thermique. La méthodologie utilisée est préalablement validée sur un échantillon calibré en composite carbone et résine époxy de forme parallélépipédique de 70x80x1 mm 3. Les défauts sont simulés par des inserts en téflon placés entre deux plis de carbone. L utilisation de cette méthodologie a notamment permis de démontrer qu il était possible de détecter et de marquer les gerces refermées (fissures) ainsi que d autres défauts de type nœud dans une planchette de bois de pin (Figure 56). (b) L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 48 / 105

49 Bois initial Bois final (a) Figure 56 : Cartographie de diffusivité d une planchette de bois de pin (a), Image infrarouge traitée du bois humide (b). 8.2 Description des cameras infrarouges utilisées Deux caméras infrarouges sont utilisées : 1) Une caméra ferroélectrique RAYTHEON PALMIR 250 (b) Figure 57 : Caméra RAYTHEON PALMIR 250. Taille du capteur : 320x240 pixels. Sortie Vidéo : Vidéo (CCIR, RS 170). Mode d acquisition : Carte d acquisition vidéo National Instruments. Type de données : Matrice 320*240 d entiers 8 bits. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 49 / 105

50 Technologie du capteur : Fréquence : Ferro Electrique. 30 Hz. 2) Une caméra bolométrique INDIGO OMEGA A10 Figure 58 : Caméra INDIGO OMEGA A10. Taille du capteur : Sortie Vidéo : Mode d acquisition : Type de données : Technologie du capteur : Fréquence : 160x120 pixels. Numérique et analogique. National Instruments (numérique ou vidéo). Matrice 160*120 entiers 14 bits. Micro bolomètre non refroidi. 25 Hz. 8.3 Résultats et analyses des essais de thermographie infrarouge Crique de compression Figure 59 : Echantillon N B610/7 B610/5 testé en thermographie infrarouge. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 50 / 105

51 Les essais consistent à appliquer une excitation thermique sur la surface de l échantillon qui est visée par la caméra. Les essais ont concerné l échantillon N B610/7 B610/5 (Figure 59). Différentes techniques et traitements ont été utilisés pour détecter le défaut : Excitation «flash face avant». Excitation «échelon face avant». Excitation rasante. Figure 60 : Exemple d image de temps de réponses obtenue après traitement d une rafale d images infrarouges. Une dizaine d essais et de traitements associés ont été réalisés sur l échantillon. Le défaut présenté Figure 59 n est pas mis en évidence comme il est montré sur l exemple présenté à la Figure 60. En effet, les cernes d été et d hiver sont visibles et couvrent la totalité du contraste. Quelque soit le type d excitation ou de méthode utilisées, le défaut n a pas pu être détecté. Figure 61 : Exemple d image de temps de réponses obtenue après traitement d une rafale d images infrarouges et humidification du bois en surface. Des essais ont également été réalisés en humidifiant l échantillon. Cette technique a déjà été utilisée efficacement pour la détection de gerce refermée en surface de planche de pin. La présence d eau modifie les propriétés thermiques du L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 51 / 105

52 bois d hiver et d été de façon à les homogénéiser. Malheureusement, le défaut n est toujours pas visible sur la Figure 61. Ce type de défaut ne semble pas engendrer de modification significative des propriétés thermo - physiques du bois permettant de le détecter. 9 Rayons X Cette étude a été réalisée par le Laboratoire Contrôle Non Destructif par Rayonnements Ionisants (CNDRI) INSA-Lyon. 9.1 Protocole expérimental Imagerie par transmission L'imagerie par rayons X en transmission correspond à la technique médicale de la radiographie, et permet donc de réaliser l'image de l'intérieur d'un objet. Le contraste obtenu sur les images dépend des différences d'atténuation de l'objet (qui proviennent à la fois des variations de densité et de numéro atomique, c'est à dire de composition chimique), mais également des différences d'épaisseur. Plus la variation (d'atténuation et/ou d'épaisseur) est grande dans la direction du faisceau incident, plus le contraste est élevé (Figure 62). Figure 62 : Schéma de principe du contrôle par rayons X en transmission. Le système utilisé pour réaliser les images est une chaîne d'imagerie à haute résolution, utilisant un tube micro-foyer (THALES Hawkeye) et un détecteur de type reprise d'écran spécialement conçu au laboratoire (Figure 63). L'utilité d'un tube micro-foyer est de permettre un grandissement géométrique G élevé, tout en conservant un flou géométrique f acceptable (les deux paramètres étant reliés par la relation f = d(g-1) où d est la taille du foyer). L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 52 / 105

53 Figure 63 : Photographie du montage utilisé pour le contrôle par rayons X en transmission. Les conditions expérimentales en transmission sont les suivantes : Tension : 35 kv. Intensité : 400 μa. Foyer : 20 μm. Durée d acquisition : 1minute Mesure par diffusion Compton L'imagerie par diffusion est une technique de contrôle utilisée au laboratoire depuis de nombreuses années, mais qui n'a pas d'équivalent dans le domaine médical du fait que la dose de rayons X nécessaire à la mesure est en général élevée. La diffusion Compton, ou diffusion avec perte d'énergie, est l'une des interactions possibles des rayons X avec la matière. Lors d'une image en transmission, le rayonnement diffusé est considéré comme parasite du fait qu'il n'apporte pas d'information sur la localisation des défauts. Néanmoins, ce rayonnement est porteur d'information si on le recueille à un angle précis de façon qu'il ne soit pas mélangé avec le rayonnement directement transmis (Figure 64). Figure 64 : Schéma de principe du contrôle par rayons X en diffusion Compton. Le schéma de la Figure 64 montre une configuration de contrôle par diffusion à un angle θ. La collimation du faisceau à l'entrée et à la sortie délimite un volume de mesure. Le rayonnement mesuré par le détecteur dépend directement de la L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 53 / 105

54 densité moyenne dans le volume de mesure. L'intérêt par rapport au contrôle par transmission est que l'on s'affranchit des variations de numéro atomique ainsi que des variations d'épaisseurs. Figure 65 : Montage expérimental pour la mesure par rayons X en diffusion Compton. Le détecteur est blindé par du plomb. Le tube à rayons X aussi est entouré par du plomb. La configuration géométrique ne nécessite l'accès qu'à un côté de la pièce, ce qui est particulièrement attractif pour le contrôle des avions de voltige. Néanmoins, c'est un contrôle lent du fait que la mesure est réalisée point par point et demande un balayage de la pièce. De plus, la sensibilité de la méthode est directement liée à la taille des collimateurs, ce qui va en sens inverse de la quantité de signal reçu. Le dispositif expérimental utilisé pour les mesures est montré à la Figure 65. Les conditions expérimentales en diffusion Compton sont les suivantes : Angle θ : 135. Haute tension : 120 kv. Intensité : 230 μa. Foyer : 20 μm. Détecteur : NaI en mode comptage. Collimateur d'entrée : Fente de 80 x 8 x 0,5 mm. Détecteur : Ouverture de 9 mm x 17 mm. 9.2 Résultats obtenus Imagerie par rayons X en transmission La Figure 66 montre un exemple d image obtenue en transmission. La durée d observation par image est de 1 minute. La taille de foyer est de 20 microns. Le grandissement utilisé est de 2 (pixel de 50 microns au niveau de l'objet). Les criques de compression sont visibles sur la Figure 66 par des zones plus sombres. Ces zones sombres indiquent la présence de matière plus dense que la matière environnante. La densification locale de matière à l endroit des criques de compression s explique par le flambement puis l écrasement très localisé des L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 54 / 105

55 fibres. Il est cependant important de remarquer qu il existe d autres zones au moins aussi sombre sur la Figure 66. Ces zones ne traduisent pas forcément la présence d hétérogénéité due à des sollicitations mécaniques. Ces zones peuvent indiquer la présence d hétérogénéités naturelles du matériau bois (présence de nœuds, cernes annuelles, inclusions par exemple). Figure 66 : Image obtenue par rayons X en transmission sur l échantillon B (image de face, tension : 35kV, Intensité : 400μA, gros foyer, durée : 1minute). Les criques sont parfois visibles en transmission mais le contraste dépend beaucoup de l'orientation du faisceau par rapport à la fissure, et il serait nécessaire de prendre plusieurs vues à différentes inclinaisons pour garantir la détection. En effet, concernant la détection des criques de compression, qui sont des défauts plans, la sensibilité de l'imagerie par rayons X à ce type de défaut dépend fortement de l'orientation de la crique. La crique doit être orientée dans la direction du faisceau incident pour être détectée. D'autre part, l hétérogénéité naturelle du bois peut donner des contrastes très forts sur l'image, là encore, selon leur orientation par rapport au faisceau Mesure par rayons X en diffusion Compton La mesure est réalisée en rétro - diffusion pour simuler le cas pratique du contrôle sur site. La difficulté de la méthode réside dans le compromis entre la finesse des collimateurs (qui définit la sensibilité à un petit défaut) et l'obtention d'un signal suffisant sur le détecteur. Le nombre de photons reçus est un compromis entre le taux de diffusion et d'atténuation. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 55 / 105

56 Figure 67 : Profil du nombre de photons reçus en rétro - diffusion sur une pièce en bois contenant une entaille de 2 mm d'ouverture et 5 mm de profondeur. Début du scan à 0 mm Début du scan à 30 mm Figure 68 : Profils du nombre de photons rétrodiffusés le long d'une ligne passant par la crique, sur l'échantillon B Plusieurs scans successifs sont réalisés dans le même sens et en sens inverse. La chute du nombre de photons au début du scan ne provient pas de l'objet. La crique est située au point 15 mm environ. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 56 / 105

57 Figure 69 : Profils du nombre de photons rétrodiffusés le long d'une ligne passant par la crique, sur l'échantillon B Deux scans successifs sont réalisés dans le même sens. La Figure 67 montre le profil du nombre de photons reçus en rétro - diffusion sur une pièce en bois contenant une entaille de 2 mm d'ouverture et 5 mm de profondeur. L entaille est caractérisée par une chute du nombre de photons reçus à la position 10 mm. Ce cas particulier, qui n appartient pas aux échantillons de l étude, est un exemple de détection réussie par contrôle en rétro diffusion. La Figure 68 et la Figure 69 montrent les profils du nombre de photons rétrodiffusés le long d'une ligne passant par la crique, sur l'échantillon B et l échantillon B Le signal donné par le bois est très faible. La sensibilité nécessaire pour détecter la présence des criques n est pas atteinte. Aucune fluctuation significative du nombre de photons reçu n est décelable à l endroit des criques. Un collimateur plus fin en sortie permettrait de délimiter un volume de mesure plus fin, mais actuellement, la puissance disponible sur le tube du laboratoire ne permet pas d'obtenir assez de signal. Un tube de plus forte puissance serait nécessaire. Une variation assez forte du nombre de photons est de plus visible sur plusieurs scans successifs de la même pièce. Cette variation peut-être due au tube lui-même (variation de la position du foyer par exemple car le réglage du collimateur devant le tube est très délicat), ou au détecteur. Il apparaît donc nécessaire (1) d arriver à augmenter le signal afin d'être sensible à de plus petites variations du nombre de photon, (2) de stabiliser la mesure permettant ainsi d obtenir une bonne répétabilité. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 57 / 105

58 10 Ultrasons 10.1 Essais ultrasonores en laboratoire par couplage avec de l eau Etude réalisée par le Laboratoire de Mécanique et d Acoustique. Laboratoire de Mécanique et d'acoustique (LMA), CNRS, UPR-7051, 31 chemin Joseph-Aiguier, Marseille Cedex 20 ( Protocole expérimental Un scanner à ultrasons (Figure 70) a été utilisé permettant de larges possibilités d'examen dans des conditions idéales de laboratoire. Le milieu couplant est de l eau. Le scanner est composé de : Un robot mécanique manipulateur de sondes ultrasonores (transducteurs) avec 8 degrés de liberté (2 déplacements linéaires en X, Y, Z et 2 rotations concentriques sonde / objet). Une baie de commande électronique des mouvements du robot. Une chaîne d'émission, de réception et de traitement de signaux acoustiques. Un ordinateur de synchronisation des déplacements et des acquisitions. Figure 70 : Vues du scanner à ultrasons du LMA (photos LMA). La chaîne d acquisition et de traitement est composée par la carte d acquisition UTC-100 (société EuroSonic) pilotée par son logiciel EuroScan v3.04. Cette carte a la possibilité d utiliser deux transducteurs pouvant fonctionner soit en transmission soit en réflexion. Il est également possible de brancher un transducteur émetteur - récepteur fonctionnant en réflexion. Le logiciel EuroScan permet les acquisitions et les visualisations en A, B et C-Scan. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 58 / 105

59 Essais en réflexion normale sur échantillons L orientation du transducteur (faisceau ultrasonore incident) fait un angle de 90 avec la surface de l échantillon testé (Figure 71 et Figure 72). Un seul transducteur est utilisé et fonctionne simultanément en émetteur et récepteur. Le transducteur utilisé fonctionne à 1 MHz et focalise à 90 mm. La longueur d onde associée est de l ordre de 1 à 5mm dans le matériau bois (célérité moyenne 1500 m/s). Les criques recherchées ont une taille comprise entre 3 et 5 mm environ dans la profondeur. La longueur d onde utilisée correspond à l ordre de grandeur de la taille du défaut recherché. Figure 71 : Principe d un essai ultrasonore en réflexion normale. Figure 72 : Détail d un essai ultrasonore en réflexion normale par couplage avec de l eau. Les conditions d'essai sont les suivantes : Fréquence d émission : 1 MHz. Fréquence d échantillonnage : 20 MHz. Nombre d'échantillons : Résolution : 8 bits Essais en incidence variable sur un élément de longeron Figure 73 : Elément de longeron de CAP10 testé par ultrasons en cuve (L x l x h = 312 x 156 x 60 mm). Les flèches rouges montrent la zone inspectée. L élément de longeron (Figure 73) a été testé en incidence normale (Figure 71) et en incidence oblique de +20 et -20 par rapport à la surface de l échantillon (Figure 74). Le balayage de l échantillon suit une trajectoire linéaire de 120 mm L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 59 / 105

60 de part et d autre de la zone de crique. Figure 74 : Schéma de principe des acquisitions ultrasonores en incidence oblique (+20 et - 20 ) Résultats en réflexion normale sur échantillons Interprétation d un essai A-Scan en Réflexion Normale En représentation A-Scan, l amplitude du signal ultrasonore reçu est affichée graphiquement en fonction du temps (Figure 75). Figure 75 : Représentation d un essai ultrasonore en A-Scan (B 615/5). Dans l exemple de la Figure 75, le signal reçu s étend sur environ 17μs, équivalent à une profondeur contrôlée d environ 13 mm. L interface arrière de l échantillon, interface bois eau, n est alors pas discernable. Les interfaces des plans de collage ne se distinguent pas non plus en A-Scan. Cinq paquets d ondes sont visibles sur l exemple de la Figure 75, d une durée moyenne de 4μs environ (soit 3 mm). Ces paquets semblent correspondre aux réflexions induites par les cernes d accroissement dont l épaisseur varie entre 2 et 3 mm (Figure 76). L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 60 / 105

61 Figure 76 : Sens transverse de l echantillon B615/ Interprétation d un essai B-Scan en Réflexion Normale La Figure 77 montre un exemple de résultat obtenu par un essai B-Scan en réflexion normale. Sur cette figure, le temps est représenté par l axe des ordonnées (équivalent à la profondeur de sondage). Le temps écoulé lors de l essai est représenté par l axe des abscisses (équivalent à la distance sondée sur la surface de l échantillon). L amplitude du signal reçu est représentée en niveau de gris (les signaux ne sont pas redressés). Figure 77 : Exemple d une représentation B-Scan en aller - retour sur une zone de crique. Les zones A et R de la Figure 77 représentent respectivement l allé et le retour autour de la zone de crique. La zone 1, correspond à l initialisation de l essai où la vibration du moteur (accélération et déplacement) est mise en évidence par les oscillations. La zone 2 correspond à la transition ou temps de pause entre les chemins allé et retour. Il n y a aucun mouvement du capteur. La zone 3 correspond au ralentissement et à la fin de l essai. Les variations visualisées sous forme de vagues correspondent à l accélération du moteur mise en évidence ici par la vibration de l échantillon et, ou du capteur lui-même. La zone de couleur bleue sur la Figure 77 qui présente une anomalie (rupture d impédance acoustique) est une zone comportant un défaut de structure ; une crique de compression dans cet exemple. Connaissant la vitesse de propagation des ultrasons dans le bois, il est possible d évaluer la profondeur correspondant au défaut (4 mm de profondeur dans ce cas, Figure 78). L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 61 / 105

62 Figure 78 : Equivalence temps profondeur pour un essai B-Scan en Réflexion Normale Synthèse des résultats obtenus en réflexion normale Au total, 8 échantillons comportant une crique (A415/6, B430/110, B430/47, B530/27, B530/49, B520/29, B620/29 et B615/92) et 2 échantillons non endommagés (SIV et SV) ont été testés. L analyse de l échantillon B520/29 est ici présentée comme exemple. L image de cet échantillon est montrée à la Figure 79. Il est important de mentionner que l analyse d image de cet échantillon n a pas permis de mettre en évidence la présence de la crique, celle-ci étant trop fine pour être visualisée au scanner. Figure 80 : Cartographie B Scan de l échantillon B520/29. Figure 81 : Affichage de la zone B Scan choisie (a), recalage des signaux (b) et élimination des redondances (B520/29). Figure 79 : Image numérisée de l échantillon B520/29. La cartographie B-Scan de l échantillon B520/29 est montrée à la Figure 80. La crique, entourée d un cercle pointillé, est repérée à 2,23 mm de profondeur par une rupture du motif de l image. La profondeur de la crique relevée visuellement sur les côtés de l échantillon est de 2 mm à gauche et de 4 mm à droite. La Figure 81 présente les étapes d un traitement de l image B-Scan pour mettre en évidence la rupture du motif ; l algorithme d élimination des redondances reste à être amélioré (Figure 81, c). L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 62 / 105

63 Pour chaque échantillon, la profondeur des criques a été relevée visuellement sur les faces latérales (à partir des images numérisées pour autant que possible). L analyse des images B-Scan obtenues en réflexion normale a permis d estimer la profondeur des criques. La Figure 82 montre les profondeurs relevées pour chaque échantillon. Les profondeurs relevées en imagerie B-Scan sont cohérentes avec les profondeurs directement mesurées sur les échantillons. Figure 82 : Comparaison des mesures de profondeurs de manière visuelle sur chaque face et par analyse des images B-Scan (Pg : partie gauche, Pd : partie droite) Résultats en incidence variable sur un élément de longeron La Figure 83 montre la cartographie B-Scan obtenue avec saturation des signaux. La zone délimitée par des traits rouges (zone de +10 à -25 mm) montre une rupture de l image B-Scan par rapport aux zones hors crique apparaissant plus régulières. Fort probablement, cette modification de l écho (bien visible notamment sur la position -20mm à la Figure 84) reflète la présence d une modification significative de l état de surface de l élément testé. Figure 83 : Cartographie B-Scan de l élément de longeron obtenue en réflexion normale avec saturation. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 63 / 105

64 Figure 84 : Détail de la présence d une rupture de l image B-Scan de la Figure 83. La Figure 85 et la Figure 86 montrent les cartographies B-Scan obtenues en réflexion sous incidences obliques (+20 et -20 ) sans saturation. Compte tenu de l angle d incidence donné à la sonde, la zone de crique n est plus à l origine du balayage. Comme pour l essai précédent (Figure 83), les zones fléchées (±20 à ±40 mm) montrent une variation de l image B-Scan (intensification de la dynamique du codage couleur). Il est possible que cette modification de l écho (absence d échos spéculaires donc échos relatifs à une propagation dans l éprouvette, ou à une onde de surface, ou à une onde guidée), reflète une modification plus en profondeur dans l épaisseur et soit en rapport avec la crique observée dans la même zone. Un sondage optimal serait formé par sondages successifs sous plusieurs angles d incidence. Figure 85 : Cartographie B-Scan de l élément de longeron obtenue en réflexion sous incidence oblique (+20 ) sans saturation. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 64 / 105

65 Figure 86 : Cartographie B-Scan de l élément de longeron obtenue en réflexion sous incidence oblique (-20 ) sans saturation. En l état actuel de l étude réalisée en laboratoire, l analyse ultrasonore permet de mettre en évidence des éléments importants dans le contrôle non destructifs de structure composite de type longeron. Sans être capable aujourd hui de conclure définitivement ou pour un cadre plus industriel (prototypage), l analyse ultrasonore réalisée présente un intérêt pour la détection des criques en compression. A 1 MHz, en imagerie B-Scan (image contraste d impédance), la détection apparait comme possible en cuve. Il semble important de considérer une approche plus complète et systématique du problème de la détection par ultrasons des criques de compression qui intégrerait d importantes études tant au niveau du matériau en bois constitutif, que de la structure lamellée collée, ou du contrôle à mettre en œuvre dans un contexte industriel. Ce travail préliminaire devrait être approfondi pour envisager sérieusement une exploitation industrielle d un protocole ultrasonore. En l état actuel de nos connaissances, il serait dangereux de baser un prototype industriel voire un contrôle sur ces seuls résultats qu ils soient académiques ou industriels. Il en va de l adaptabilité comme de la reproductibilité du protocole, et du risque final d un mauvais contrôle. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 65 / 105

66 10.2 Essais ultrasonores par contact élastomère Etude réalisée par la société EURO PHYSICAL ACOUSTICS. EURO PHYSICAL ACOUSTICS SA -27, rue Magellan -ZAC des Portes de Sucy -F SUCY-EN-BRIE CEDEX - Site internet : Protocole expérimental Description et caractéristiques de l instrumentation ultrasonore La chaîne d'acquisition est composée de capteurs, préamplificateurs et du système d'acquisition. Cette chaîne est intégrée à un système portable de référence «Pocket AU» (Figure 87, a). Le «Pocket AU» présente l intérêt d intégrer un générateur ultrasonore capable d émettre un train d onde carrée programmable en fréquence fixe ou balayée ce qui permet de disposer d une source de puissance importante. (a) Figure 87 : Vue des traducteurs ultrasonores RS30 (a) et du système portable utilisé «Pocket AU» (b). Les traducteurs ultrasonores E/R utilisés sont de forme cylindrique et sont intégrés dans un manipulateur manuel. Les traducteurs sont équipés d un élément couplant qui assure l adaptation d impédance entre la structure bois et les éléments piézoélectriques (Figure 87, b). Cet élément couplant est constitué d un matériau élastomère. La gamme de fréquence adaptée au matériau bois et au matériau couplant couvre une bande de 200kHz à 400 khz. Les réglages et caractéristiques de l'instrumentation sont détaillés ci-dessous. Système d'acquisition : «Pocket AU». Nombre de voies utilisées : 2 voies (émission et réception). Type de capteurs : RS30. Fréquence de résonance (khz) : Préamplificateurs : Amplification interne avec gain variable. Filtres préamplificateurs (khz) : Générateur ultrasonore : Forme sinusoïdale, 20V CC. (b) L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 66 / 105

67 Méthode de mesure L opérateur balaye à la main le scanner couplé à l échantillon et visualise en temps réel le signal A-SCAN sur l écran du «Pocket AU». Ce scanner est équipé de 2 capteurs RS30-UT et la mesure s effectue en mode tandem (émetteur et récepteur) d un même côté que l échantillon (Figure 88). Dans le cas où le chemin de propagation des ultrasons est perturbé par la présence d un défaut, la forme du signal sera modifiée Résultats Figure 88 : Schéma de principe de l essai ultrasonore et détail du scanner manuel Visualisation du signal en mode A-SCAN La Figure 89 présente une représentation A-SCAN du signal transmis pour l éprouvette 620_10. Le signal ultrasonore se propage dans le matériau sans atténuation importante. Les caractéristiques intrinsèques des capteurs de type élastomère expliquent la forme du signal relativement peu amortie. On note 5 à 6 lobes successifs sur ce A-SCAN sur les 400 µs de parcours du signal ultrasonore. Figure 89 : Signal ultrasonore A-SCAN obtenu sur un échantillon de bois (référence 620/10). Les traducteurs sont maintenus sur la surface avec une force constante et le gain est réglé de manière automatique pour chaque éprouvette. Les échantillons sont considérés théoriquement de même nature mais la comparaison des signaux A-SCAN obtenus met en évidence des différences importantes du signal au niveau des derniers lobes. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 67 / 105

68 L hétérogénéité naturelle du bois (nœud, variation de densité ) se traduit par des variations du signal A-SCAN pour une même éprouvette (selon la zone inspectée). L atténuation du signal n est pas constante pour chaque échantillon ce qui impose un réglage de gain différent pour chaque référence. Il apparaît donc difficile de définir une cale étalon référence pour cette étude. Une représentation de type B-scan apparaît également nécessaire afin de faciliter l interprétation des résultats Visualisation des signaux en mode B-scan Le «Pocket AU» permet de représenter des cartographies C-scan pour un échantillon mais la forme géométrique des échantillons et l encombrement du scanner ne permettent pas de réaliser ce type de cartographie 2D. L obtention d un B-scan nécessite le balayage complet de l échantillon et le stockage de chaque A-SCAN (opération manuelle) au fur et à mesure de l avancée du scanner. Les fichiers stockés en mémoire sont ensuite compilés puis tracés de manière à obtenir une concaténation de l ensemble des A-SCAN (Figure 90). A SCAN n 20 Concaténation de 55 A SCAN Figure 90 : Principe de l obtention d une cartographie B-scan pour l échantillon 620/10. Chaque ligne horizontale du B-scan obtenu (Figure 90) correspond donc à un A-SCAN dont les amplitudes sont codées en niveau de couleur. L axe des abscisses du B-scan correspond à la longueur de l A-SCAN enregistré (400 µs) et l axe des ordonnées à l ordre chronologique de stockage des A-SCAN. La Figure 90 présente un B-scan réalisé sur l échantillon 620/10 à partir de l enregistrement de 55 A-SCAN successifs. Les amplitudes des signaux sont codées en niveau de couleur (du bleu au rouge pour les minimums et maximums). L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 68 / 105

69 Au total 15 échantillons ont été cartographiés en B-Scan. Un échantillon ne comportait pas d endommagement et a été testé sur ses deux faces. Les autres échantillons présentaient tous des criques de compression d importance et de positionnement variable. La Figure 91 présente la cartographie de l échantillon sans défaut 620/1. La Figure 92 présente un exemple de détection d un défaut sur l échantillon 530/1. Les cartographies obtenues ont cependant toutes des profils différents et l interprétation des cartographies B-Scan est très difficile. Figure 91 : Cartographie B-scan de l éprouvette 620/1. Figure 92 : Cartographie B-scan de l éprouvette 530/1. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 69 / 105

70 Référence Eprouvette Défauts visibles en Détection par surface ultrasons 620/1 non non 620/1 (autre face) non non 520/4 oui (taille importante) non 520/3 oui (taille importante) oui 415/4 oui (réparties) non 415/5 oui (réparties) non 512/2 oui (taille moyenne) non 530/1 oui (réparties) oui 620/2 oui (faible taille) non 420/4 oui (réparties) non 420/3 oui (faible taille) non 620/5 oui (réparties) oui 430/6 oui (réparties) non 430/3 oui (réparties) oui 630/2 oui (faible taille) non 630/3 oui (répartis) non Tableau 5 : Synthèse des résultats obtenus par contrôle ultrasonore à contact élastomère. Le Tableau 5 montre les résultats de détection obtenus sur les 15 échantillons testés par méthode ultrasonore à contact élastomère avec le système «Pocket AU» (observation des cartographies B-Scan). Sur 16 contrôles, 4 détections ont été possibles et aucune détection n a été relevée sur l échantillon de référence. Aucune détection réussie n a concernée des criques de faible taille. Une crique de taille importante n a pas été détectée. Les résultats obtenus ne permettent pas de valider complètement la méthode au regard des problèmes d interprétation du signal ultrasonore liés à l hétérogénéité du bois. Les variations importantes de l amplitude du signal enregistré, avec une même amplification, sur des éprouvettes différentes ne permettent pas de définir une éprouvette-référence telle qu utilisée dans la majorité des applications CND. La structure du bois (nœud, cernes annuels ) perturbe fortement le signal A-SCAN et a rendu impossible l identification des défauts sur les cartographies B-scan dans certains cas. Cependant, il serait certainement intéressant d effectuer une cartographie B- scan sur une même éprouvette de bois pour trois états mécaniques différents : état non compressé, état compressé non endommagé et état compressé avec endommagement. En effet, une comparaison de ces 3 cartographies permettrait d évaluer, d une part, l influence de l opération de compression (historique du matériau) sur le signal ultrasonore et, d autre part, la possibilité de contrôler ces assemblages même sans référentiel absolu. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 70 / 105

71 10.3 Suivi par ultrasons d une aile d avion de CAP10 au cours d un essai de flexion 4 points Etude réalisée par la société EURO PHYSICAL ACOUSTICS. EURO PHYSICAL ACOUSTICS SA -27, rue Magellan -ZAC des Portes de Sucy -F SUCY-EN-BRIE CEDEX - Site internet : Protocole expérimental Description et caractéristiques de l instrumentation ultrasonore Le suivi par ultrasons d un essai statique sur une aile de CAP10 a été réalisé en complément du suivi par émission acoustique (p. 88). Les mesures ultrasonores n ont pas interféré dans le suivi mené en par émission acoustique. Les essais par ultrasons ont été réalisés périodiquement au cours de l essai statique - après chaque relaxation sur la structure au repos - et cinq signatures ultrasonores ont été enregistrées jusqu à la rupture de l aile : AU0 : Tir de référence sur une aile au repos. AU1 : Montée en 3 paliers successifs jusque 2700 N puis relaxation. AU2 : Montée rapide à 6000 N puis relaxation. AU3 : palier à 2700 N et montée rapide à N puis relaxation. AU4 : palier à 2700 N et montée rapide à N puis relaxation. AU5 : palier à 2700 N et montée rapide à N puis relaxation. La chaîne d'acquisition ultrasonore utilisée se divise en deux parties : une partie identique au système d émission acoustique et une seconde partie constituée d un émetteur ultrasonore. La partie d émission acoustique est composée de capteurs avec préamplificateurs intégrés et d un système d'acquisition multivoies (carte PCI-8). Les capteurs sont couplés à la structure par de la graisse et sont maintenus par de l adhésif. La partie ultrasonore est constituée par une carte de génération de signaux arbitraire (carte ARB14150) Ce dispositif présente l intérêt de disposer d une puissance d émission importante et de pouvoir générer un signal de tir choisi. Cette carte fourni également une sortie de synchronisation (TTL) utile pour enregistrer l instant de tir du générateur. Figure 93 : Schéma d implantation des capteurs ultrasonores émetteurs et récepteurs. Figure 94 : Vue des capteurs ultrasonores d émission et de réception fixés sur l aile. Les capteurs de réception sont placés sur la peau à la jonction des nervures et des longerons de manière à assurer la continuité de la matière (Figure 93 et Figure 94). Les deux sources basses fréquences sont positionnées sur la peau au niveau L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 71 / 105

72 des nervures N2 pour les 2 éléments de l aile. Dans le cas présent, les capteurs utilisés pour le suivi par ultrasons sont les mêmes que ceux utilisés pour le suivi par émission acoustique. La vitesse des ondes dans le matériau est évaluée à 2500 m/s. Les réglages et caractéristiques de l'instrumentation sont détaillés ci-dessous. Emission Générateur ultrasonore : Carte ARB Traducteur Emetteur Nombre : R15 (150 khz) - 2 émetteurs Type d émission : Sinusoïdale 150 khz (10V) Réception Système d'acquisition N. voies : SAMOS 64 Nombre de voies utilisées : 18 Type de capteurs Nombre : R6I 12 et R15I 6 Fréquence de résonance (khz) : 60kHz (R6I) et 150kHz (R15I) Filtres système (khz) : Préamplificateurs (modèle) : Intégrés avec Gain (db) : 40 Seuil d'acquisition (db EA : Réf. 1 μvolt/capteur) : Méthode de mesure La méthode de suivi ultrasonore se base sur l émission et sur la réception d une onde ultrasonore basse fréquence dans une structure. Cette technique peut être considérée comme une méthode locale ou globale selon le protocole choisi : Méthode locale : le couple émetteur et récepteur est déplacé automatiquement ou manuellement sur la surface de la structure. Cette méthode de contrôle a été utilisée, avec le système Pocket AU pour la réalisation des essais sur les échantillons de validation. Méthode globale : l émission et la réception sont s effectuées avec un seul ou plusieurs traducteurs selon l atténuation du signal et de la géométrie de la structure. Les émetteurs et les récepteurs, couplés à la structure, demeurent fixes pour les essais. Le traitement consiste à suivre l évolution de la forme de l onde ultrasonore dans la structure au cours de sa propagation (Figure 95). Ce suivi peut s effectuer classiquement sur l évolution des temps de propagation mais également à travers l énergie. Figure 95 : Forme d onde obtenue par suivi ultrasonore. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 72 / 105

73 Résultats Figure 96 : Vue de l aile gauche après rupture. La rupture de l aile gauche (Figure 96) s est produite au cours du dernier chargement AU5. L évolution du temps de propagation entre l émetteur et les récepteurs, couplés sur les nervures, après chaque chargement n a pas présenté de variation significative au cours de l essai. Une analyse des paramètres extraits au cours du suivi a cependant permis d identifier l énergie des formes d ondes comme paramètre discriminant entre les différents tirs ultrasonores. Les niveaux d énergies enregistrés lors du tir après la rupture de l aile (référence AU5) ne sont pas représentatifs car le couplage des capteurs n est plus validé après la rupture. Figure 97 : Energie des signaux mesurée au cours de l essai statique pour l aile gauche. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 73 / 105

74 Figure 98 : Energie des signaux mesurée au cours de l essai statique pour l aile droite. L analyse s est portée sur les nervures de 1 à 5 pour les deux parties de l aile. Seules les résultats obtenus avec les récepteurs N1 et N4 sont présentés (Figure 97 et Figure 98) et mettent en évidence une rupture de l évolution en énergie entre les instants AU3 - AU4 pour N1 et AU2 AU3 pour N4. Cette rupture se traduit, pour les récepteurs N1, par une brusque augmentation alors que la tendance était décroissante et, pour les récepteurs N4, par un saut au cours de la décroissance en énergie. Il est cependant impossible de déterminer l endroit de rupture de l aile. Le couplage des émetteurs - récepteurs ultrasonores sur le revêtement de la voilure permettrait alors de détecter une modification structurale du revêtement mais pas du longeron. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 74 / 105

75 11 Emission Acoustique Etudes réalisées par la société EURO PHYSICAL ACOUSTICS. EURO PHYSICAL ACOUSTICS SA -27, rue Magellan -ZAC des Portes de Sucy -F SUCY-EN-BRIE CEDEX - Site internet : Suivi par Emission Acoustique d essais de compression axiale sur des éprouvettes de bois Protocole expérimental Essai de compression axiale Au total, 34 éprouvettes ont été testées en compression axiale jusqu'à rupture (NF B , Sept. 1985). Le dispositif de test est montré en Figure 99. Les caractéristiques de chaque éprouvette sont décrites dans le Tableau 6. L'emplacement des criques dans ce tableau est obtenu par observation visuelle et permet uniquement de comparer dans la suite les emplacements des criques initiales par rapport à la rupture finale. Les lettres A, B, C, D et E font référence à un découpage de la longueur en cinq zones (Figure 100). Support mobile Capteur 2 Capteurs EA Zone de crique Capteur 1 Support fixe Figure 99 : Essai de compression axiale suivi par Emission Acoustique. Figure 100 : Zones de localisation sur les échantillons. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 75 / 105

76 N Lot N éprouvette Emplacement des criques avant compression B410 / 37 Bordure A-B 1 B510 / 27 E B610 / 57 C S1 Eprouvette saine B415 / 38 D 2 B415 / 47 D B415 / 56 Bordure C-D 3 B515 / 23 Bordure C-D B515 / 71 C B615 / 73 Bordure B-C 4 B615 / 92 Bordure B-C S3 Eprouvette saine 5 B420 / 16 C B420 / 38 Bordure B-C B520 / 29 Bordure B-C 6 B520 / 47 B-C-D (crique en biais) B520 / 56 C B620 / 29 2 criques : C+D 7 B620 / 38 2 criques : C+B B620 / 56 C + bordure B-C (crique en biais) S4 Eprouvette saine B430 / 29 C B430 / 38 C 8 B430 / 47 2 criques : C+B B430 / 56 C B430 / 110 C B530 / 16 C B530 / 27 C 9 B530 / 38 Pas de crique mais décollement de lamelles (D+C+B) B530 / 49 C B530 / 510 C B630 / 37 C 10 B630 / 510 C S5 Eprouvette saine Tableau 6 : Caractéristiques des échantillons. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 76 / 105

77 Instrumentation utilisée en Emission Acoustique Une carte d acquisition PCI-2 dans un micro-châssis piloté par un ordinateur portable est utilisée pour ces essais. Les capteurs sont choisis en fonction de l'expérience acquise par EPA dans le domaine du suivi d'endommagement de structures en bois et composites. La chaîne d'acquisition est composée de capteurs, préamplificateurs et du système d'acquisition. L acquisition et l analyse en temps réel sont assurées par le logiciel AEWIN PCI-2 v Les capteurs sont couplés aux éprouvettes par de la graisse et maintenus grâce à des pinces. Les capteurs sont placés aux extrémités des éprouvettes du côté de l échantillon pré-endommagé afin que la zone de contrôle soit la plus large possible. Toutes les éprouvettes présentent des criques sauf S1, S3, S4 et S5 qui sont déclarées comme saines mais qui peuvent présenter des hétérogénéités naturelles. Le capteur 2 se trouve toujours du côté du support mobile haut. Le couplage du capteur est validé par la source Hsu-Nielsen (NF EN ) (rupture de mine de crayon 2H Ø 0,5 mm) à 20 mm de chaque capteur. Le couplage est considéré comme optimal lorsque l écart type des différentes amplitudes détectées par chaque capteur n est pas supérieur à 3 db EA. La vitesse des ondes dans le matériau est également évaluée à l aide de la source Hsu-Nielsen. Les vitesses mesurées varient de 5900 m/s à 6300 m/s avec une majorité à environ 6000 m/s. La vitesse des ondes pour chaque éprouvette est par la suite fixée à 6000 m/s. Les conditions expérimentales en Emission Acoustique sont les suivantes : Système d'acquisition -Nbre de voies : châssis et carte PCI-2 2 Nbre de voies utilisées pour l'examen : 2 Type de capteurs Nombre : Nano 30 2 Fréquence de résonance (khz) : 300 Filtres système (khz) : Préamplificateurs (modèle) : 2/4/6 avec Gain (db) : 40 Gamme de fréquence (khz) : Seuil d'acquisition (db EA : Réf. 1 μvolt/capteur) : Résultats Suivi de l essai de compression par Emission Acoustique Un exemple de suivi est présenté à la Figure 101 pour l échantillon B410/37 du lot 1. Pour cette éprouvette, la distance entre les capteurs est de 75 mm. Afin de filtrer les bruits d environnement, les résultats ne prennent en compte que les salves dont les amplitudes sont supérieures à 40 db EA. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 77 / 105

78 Figure 101 : Activité EA et localisation des événements -Eprouvette B410/37. La Figure 101 est divisée en 4 parties : Partie 1 : Montre l émissivité dans l éprouvette. La courbe rouge représente l activité, i.e. le nombre de salve cumulée et la courbe verte représente l intensité, i.e. l énergie cumulée. Cette énergie relative est sans dimension. Partie 2 : Montre la position des événements en fonction du temps (axe des ordonnées). Les deux capteurs sont représentés par leur numéro en vert en haut du graphique. L échelle de couleur représente l énergie des salves. Partie 3 : Montre la distribution de l amplitude des événements localisés entre les deux capteurs. L échelle de couleur représente le nombre d événements. Partie 4 : Montre la distribution de l énergie cumulée des événements localisés entre les deux capteurs. Sur cet exemple, l activité acoustique est moyenne avec quelques salves dès le début du test. L intensité comporte un premier point d inflexion à environ 160 s de test puis un deuxième vers 250 s. Peu d événements sont localisés avant 200 s puis les événements se concentrent dans les zones A et B, ce qui correspond à l emplacement de la crique initiale et à celle de la rupture de l éprouvette. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 78 / 105

79 Les résultats obtenus sont résumés dans le Tableau 7. Les lettres A, B, C, D et E font référence à des zones de localisation montrées sur la Figure 100. La rupture est localisée, dans la majorité des cas, au niveau de la crique initiée lors de la fabrication des échantillons. Les criques ainsi réalisées sont donc bien des zones de faiblesse mécanique (initiation de la rupture). Dans la majorité des cas, la localisation de l endommagement est correctement réalisée. En effet, sur 34 essais réalisés, 5 localisations ont échoué. Trois échecs sont dus à un affaissement de l échantillon sur un bord ; ce type de rupture ne doit pas être pris en compte dans l analyse. Lot Eprouvette Position des criques avant compression Observation de la rupture Localisation de l endommagement par EA Remarques 1 B410 / 37 Bordure A-B B510 / 24 E Suivant la crique initiale (bordure A-B) Suivant la crique initiale + léger décollement latéral (zone C) Bordure A-B E C RAS RAS B610 / 57 C Suivant la crique initiale (C) C + B A 2 zones d endommagement : - C (rupture) -déplacement des événements de C vers A S1 Saine A A Très peu d événements localisés car émission continue 2 B415 / 38 D Suivant la crique initiale (D) D E RAS B415 / 47 D Double flambage (B + D) D + B + E RAS B415 / 56 Bordure C-D 3 B515 / 23 Bordure C-D Suivant la crique initiale (Bordure C-D) Rupture en biais suivant un nœud (A) Bordure C-D B + A + C D RAS RAS B515 / 71 C Suivant la crique initiale (C) C RAS 4 B615 / 73 Bordure B-C Suivant la crique initiale (Bordure B-C) Pas de localisation car émission continue B615 / 92 Bordure B-C Affaissement des bords (A) B Faible localisation car les sources d EA sont situées à l extérieur de la maille L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 79 / 105

80 S3 Saine Affaissement des bords (A + E) Diffuse Faible localisation car les sources d EA sont situées à l extérieur de la maille 5 B420 / 16 C Suivant la crique initiale (C) C RAS B420 / 38 Bordure B-C 6 B520 / 29 Bordure B-C Suivant la crique initiale (Bordure B-C) Suivant la crique initiale (Bordure B-C) Bordure B-C Bordure B-C RAS RAS B520 / 47 B-C-D (crique en biais) Suivant la crique initiale (B-C-D) C + B + D RAS B520 / 56 C Suivant la crique initiale (C) C + E + A Bonne localisation de la rupture + localisation d événements près des capteurs 7 B620 / 29 2 criques C+D B620 / 38 B620 / 56 2 criques C+B C + bordure B-C (crique en biais) Suivant l une des criques initiale (C) Suivant les deux criques initiales (C + B) Suivant la crique initiale (C + bordure B-C) C + E C + D + B C + bordure B-C + A Mauvaise localisation car émission continue RAS Bonne localisation de la rupture + localisation d événements près du capteur 2 S4 Saine Affaissement des bords (A) Bordure A-B Faible localisation car les sources d EA sont situées à l extérieur de la maille 8 B430 / 29 C Rupture coté opposé (Bordure A-B) A + B RAS B430 / 38 B430 / 47 C 2 criques B + C Suivant la crique initiale (C) Rupture coté opposé (A + B) + petite rupture (C) C + bordure B-C A B C RAS RAS B430 / 56 C Suivant la crique initiale (C) C RAS B430 / 110 C Suivant la crique initiale (C) C RAS L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 80 / 105

81 9 B530 / 16 C Suivant la crique initiale (C) C RAS B530 / 27 C Suivant la crique initiale (C) C + bordure C-D RAS B530 / 38 Pas de crique mais décollement de lamelles (D+C+B) Rupture côté opposé (C) C + bordure B-C RAS B530 / 49 C Suivant la crique initiale (C) E + C Bonne localisation de la rupture + localisation d événements près du capteur 1 B530 / 510 C Suivant la crique initiale (C) C RAS 10 B630 / 37 C Suivant la crique initiale (C) C RAS B630 / 510 C Suivant la crique initiale (C) C RAS S5 Saine Bordure C-D Bordure C-D RAS Tableau 7 : Synthèse du suivi des essais de compression axiale par Emission Acoustique Estimation de l endommagement et de la rupture par Emission Acoustique La Figure 102 montre une courbe typique représentant la contrainte en fonction du temps au cours d un essai de compression axiale. La Figure 103 montre l'activité acoustique. Figure 102 : Schéma de l évolution de la contrainte en fonction du temps au cours d un essai de compression axiale. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 81 / 105

82 Figure 103 : Exemple de courbe d activité acoustique. La courbe de la Figure 102 passe par un maximum (de coordonnées C max et T max ) et représente la définition de la rupture de l'éprouvette. Le point d'inflexion de l'énergie cumulée, de coordonnées {E EA et T EA }, montré sur la Figure 103 est choisi comme critère de début d'endommagement de l'éprouvette. Ces quatre coordonnées sont utilisées afin de calculer le rapport C max et C EA. Les valeurs C EA -5s et C EA +5s sont calculées en diminuant et en augmentant respectivement T EA de 5s et en reportant les valeurs sur les courbes semblables à celles montrées sur la Figure 102 afin d'évaluer l'erreur de synchronisation. Les résultats pour chaque éprouvette, sauf pour B415 / 38 du lot 2 (les données ne présentent pas de maximum), sont présentés dans le Tableau 8. L absence de valeur dans les colonnes C max /C EA -5s et C max /C EA -5s signifie que T EA -5 ou T EA +5 sont supérieur à T max. En se référant aux 34 éprouvettes analysées, il apparaît que l Emission Acoustique détecte un début d endommagement avant la rupture de l échantillon à 95% en moyenne de la contrainte maximum (Tableau 8). L énergie cumulée à la contrainte maximum est très variable : de 1 à Il est donc difficile de définir un critère sur l énergie pour connaître l état de l endommagement puisque cela dépend de la taille de l éprouvette, de sa géométrie et de la localisation de l endommagement. Figure 104 : Comparaison entre classement visuel des criques et moyenne des contraintes à rupture (effectif entre parenthèse par classe visuelle). L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 82 / 105

83 La Figure 104 montre la comparaison entre le classement visuel des criques (classement donné par la Figure 49 et le Tableau 4) et la moyenne des contraintes à rupture par classe visuelle. Cette figure met en évidence l absence de relation entre l estimation visuelle subjective et la sévérité de l endommagement mécanique associé à la crique. Si une relation existait, la contrainte à rupture serait très basse dans le cas d une rupture partielle puis augmenterait jusqu à un maximum pour le cas d une crique peu visible. N Lot N éprouvette Contrainte maximum Cmax (MPa) Cmax/CEA (%) Cmax/CEA -5s (%) Cmax/CEA + 5s (%) Energie cumulée à la contrainte maximum Emax B410 / 37 41,7 99,0 97,8 99,8 1 1 B510 / 27 33,0 98,8 97,6 99,7 500 B610 / 57 41,0 96,6 94,4 98, S1 44,6 96,0 94,0 97, B415 / 47 35,7 89,6 86,6 92, B415 / 56 38,4 99,5 97,4 99, B515 / 23 33,3 99,4 91,9 97,3 630 B515 / 71 34,3 95,6 93,3 97, B615 / 73 49,9 82,6 79,4 85, B615 / 92 35,4 94,1 92,4 96,3 530 S3 40,7 94,8 92,9 96, B420 / 16 42,0 92,4 89,5 95, B420 / 38 31,7 94,3 91,5 96,5 160 B520 / 29 45,1 96,5 94,9 97, B520 / 47 46,1 98,9 97,4 99,8 77 B520 / 56 49,2 91,3 89,0 93, B620 / 29 43,8 92,0 90,0 93, B620 / 38 46,9 99,6 98,7 99,8 470 B620 / 56 45,2 79,6 75,7 83,4 620 S4 45,2 84,8 81,3 87,5 200 B430 / 29 34,8 99,1 98,0 99,7 7 B430 / 38 34,8 100,0 99, B430 / 47 29,3 89,1 86,7 90,8 35 B430 / 56 37,0 99,5 97,3 99,7 10 B430 / ,3 93,9 92,2 95,5 64 B530 / 16 40,1 98,8 97,5 99, B530 / 27 35,9 0 9 B530 / 38 36,0 92,8 90,8 95, B530 / 49 34,8 99,1 98,3 99,7 283 B530 / ,7 93,9 92,1 95,8 40 B630 / 37 38,9 100,0 99, B630 / ,7 88,1 85,5 90, S5 39,2 98,5 97,4 99,0 5 Tableau 8 : Relation entre données d Emission Acoustique et contrainte à rupture. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 83 / 105

84 11.2 Suivi par Emission Acoustique d un longeron de CAP10 au cours d un essai de flexion 4 points Protocole expérimental Essai de flexion 4 points Le morceau de longeron testé en flexion provient d une aile endommagée. Ce longeron présente des criques près des deux capteurs d Emission Acoustique (Figure 105). L essai de flexion est un essai 4 points. Les supports représentent les points d ancrage au niveau du fuselage et les points de chargement sont associés à l effort appliqué en vol (facteur de charge négatif). Les cycles de sollicitation appliqués à la structure sont montrés sur la Figure 106. L essai est composé par trois montées en chargement comprenant chacune un palier. Figure 105 : Essai de flexion 4 points sur un morceau de longeron de CAP10. Essai suivi par Emission Acoustique (capteurs n 9 et n 10). Figure 106 : Cycles de sollicitation du longeron au cours de l essai de flexion 4 points Instrumentation utilisée en Emission Acoustique La chaîne d'acquisition est composée de deux capteurs avec préamplificateurs intégrés et du système d'acquisition SAMOS 64 (Euro Physical Acoustics). Les capteurs sont couplés à la structure par de la graisse et sont maintenus par de l adhésif. Le couplage du capteur est validé par la source Hsu-Nielsen (NF EN ) (rupture de mine de crayon 2H Ø 0,5 mm) à 50 mm de chaque capteur. Le couplage est considéré comme satisfaisant lorsque l écart type des différentes amplitudes détectées par chaque capteur n est pas supérieur à 3 db EA. La vitesse des ondes dans le matériau est évaluée à l aide de la source Hsu-Nielsen. La vitesse moyenne des ondes mesurées dans le longeron est de 3500 m/s. Les réglages et caractéristiques de l'instrumentation sont détaillés ci-dessous. Système d'acquisition - Nombre de voies : SAMOS 64 Nombre de voies utilisées pour l'examen : 2 L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 84 / 105

85 Résultats Type de capteurs Nombre : R15I 2 Fréquence de résonance (khz) : 150kHz Filtres système (khz) : Préamplificateurs (modèle) : Intégrés avec Gain (db) : 40 Seuil d'acquisition (db EA : Réf. 1 μvolt/capteur) : 45 La Figure 107 montre que dès le premier chargement, de fortes amplitudes sont détectées par le capteur 9 ; cependant l émission se stabilise correctement en palier. Lors du second cycle de chargement (de 0 à N), l émission reprend vers N, c'est-à-dire, avant d avoir atteint N (la charge précédemment atteinte au premier cycle). Ceci tend à montrer que la structure est endommagée car l effet Kaiser n est plus respecté. Lors du dernier cycle (de 0 à N), les premières salves sont une fois de plus détectées à partir de N alors que la charge précédemment atteinte était de N. Lors du palier à N, il n y a pas de stabilisation de l émission laissant présager un fort endommagement de la structure. La Figure 108 montre l activité et l intensité acoustiques par voie. Le capteur 9 détecte beaucoup plus d événements que le capteur 10 notamment lors du premier cycle. La Figure 109 montre parfaitement la présence de trois sources S1, S2 et S3. La source S1 est la plus énergétique. La Figure 110 montre l apparition et l évolution des sources au cours du temps. S1 et S2 apparaissent dès le premier cycle de chargement alors que S3 apparaît lors du deuxième cycle de chargement. S1 et S3 correspondent à la position des criques identifiées. Au regard des résultats obtenus par compression des échantillons en laboratoire, et étant donné le peu de salves détectées lors de l essai, le critère de rupture en temps réel n a pas pu être déterminé. Il semble d ailleurs que les criques n ont pas participé à la rupture dans ce cas. Cette dernière serait due à une rupture de la liaison âme semelle ; les deux zones situées entre le point de chargement et le support sont en effet très fortement sollicitées en cisaillement. Seule la première partie de l essai est alors représentative de l évolution des criques. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 85 / 105

86 Figure 107 : Activité générale en Emission Acoustique. Partie 1 : Amplitude des salves en fonction du temps avec visualisation du cycle de chargement. Partie 2 : Nombre de salves cumulées (en rouge) et énergie cumulée (en vert) en fonction du temps avec visualisation du cycle de chargement. Figure 108 : Activité et intensité en Emission Acoustique par voie. Partie 1 : Nombre d événements cumulés par voie en fonction du temps. Partie 2 : Energie cumulée par voie en fonction du temps. Partie 3 : Agrandissement de la partie 2. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 86 / 105

87 Figure 109 : Localisation linéaire de l énergie (1), localisation linéaire des événements (2). Figure 110 : Localisation linéaire des événements en fonction du temps (axe des ordonnées) (1), localisation linéaire de l énergie en fonction du temps (axe des ordonnées) (2). L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 87 / 105

88 11.3 Suivi par Emission Acoustique d une aile d avion de CAP10 au cours d un essai de flexion 4 points Protocole expérimental Essai de flexion 4 points La voilure testée en flexion est une voilure mise au rebut. Le plan d'une demivoilure est montré sur la Figure 111. Le chargement est symétrique sur les ailes droite et gauche. Le bâti de chargement est montré sur la Figure 112. La fixation de la voilure sur le bâti est analogue à la fixation de la voilure sur le fuselage. Figure 111 : Plan de l aile gauche du CAP 10 et point de chargement. Figure 112 : Photographie de l aile dans le bâti de chargement. Deux types de sollicitations sont réalisés sur la structure. La première est une sollicitation statique pendant 10 minutes à 5400 N, soit 2700 N sur chacune des ailes ce qui correspond à un avion de 540 kg (masse à vide), pour établir la stabilisation de la structure. La deuxième est une sollicitation à charge croissante pour endommager progressivement la structure. Le cycle de sollicitation complet est montré sur la Figure 113. Figure 113 : Cycles de sollicitation de l aile au cours de l essai de flexion 4 points. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 88 / 105

89 Instrumentation utilisée en Emission Acoustique Système d acquisition SAMOS La chaîne d'acquisition est composée de capteurs avec préamplificateurs intégrés et du système d'acquisition SAMOS 64 (Euro Physical Acoustics). Les capteurs sont couplés à la structure par de la graisse et sont maintenus par de l adhésif. Le couplage du capteur est validé par la source Hsu-Nielsen (NF EN ) (rupture de mine de crayon 2H Ø 0,5 mm) à 50 mm de chaque capteur. Le couplage est considéré comme satisfaisant lorsque l écart type des différentes amplitudes détectées par chaque capteur n est pas supérieur à 3 db EA. Les capteurs sont placés à la jonction des nervures et des longerons ; en limite arrière du longeron (Figure 114). De cette façon, les ondes provenant du longeron traversent les nervures et la peau et sont détectées par les capteurs. La vitesse des ondes dans la structure est également évaluée à l aide de la source Hsu-Nielsen. La vitesse moyenne est mesurée à 2500 m/s. Figure 114 : Positionnement des capteurs d Emission Acoustique sur l aile. Afin de déterminer le rayon d écoute des capteurs, une mesure d atténuation est effectuée. La courbe d atténuation est montrée sur la Figure 115. La courbe d atténuation est réalisée avec une source Hsu-Nielsen (NF EN ) (rupture de mine de crayon 2H Ø 0,5 mm) sur la peau de l aile. Le seuil d acquisition a été fixé à 40 db EA au regard des résultats obtenus au CIRAD (essais sur échantillons en compression axiale). Le rayon d action d un capteur est donc de 1,2 m pour la source Hsu-Nielsen. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 89 / 105

90 Figure 115 : Courbe d atténuation. Le but de l essai est de suivre le comportement des deux longerons. Les capteurs sont donc positionnés à la jonction des nervures de l aile et des longerons. La distance maximale entre capteur est alors nettement inférieure à 900 mm, ce qui permet la localisation des événements afin d isoler les événements provenant des longerons, d éventuelles autres sources d endommagement. Les réglages et caractéristiques de l'instrumentation sont détaillés ci-dessous. Système d'acquisition - Nombre de voies : SAMOS 64 Nombre de voies utilisées pour l'examen : 18 Type de capteurs Nombre : R6I 12 (Capteurs 1, 2, 3, 4, 6, 7, 11, 12, 13, 14, 16 et 17) R15I 6 (Capteurs 5, 8, 15, 18, 20 et 21) Fréquence de résonance (khz) : 60kHz (R6I) 150kHz (R15I) Filtres système (khz) : Préamplificateurs (modèle) : Intégrés avec Gain (db) : 40 Seuil d'acquisition (db EA : Réf. 1 μvolt/capteur) : 40 Système d acquisition Pocket EA L aile d avion a également été suivie avec un autre système d acquisition EA, le Pocket EA-2 (Euro Physical Acoustics). Ce système est constitué de deux voies d acquisition et est portatif. Deux capteurs ont été installés et couplés au longeron par de la graisse et ont été maintenus par de l adhésif (Figure 116). Le couplage du capteur est validé par la source Hsu-Nielsen (NF EN ) (rupture de mine de crayon 2H Ø 0,5 mm) à 50 mm de chaque capteur. Le couplage est considéré L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 90 / 105

91 comme satisfaisant lorsque l écart type des différentes amplitudes détectées par chaque capteur n est pas supérieur à 3 db EA. Figure 116 : Positionnement des capteurs d Emission Acoustique (Pocket EA). Les réglages et caractéristiques de l'instrumentation sont détaillés ci-dessous. Système d'acquisition - Nombre de voies : Pocket EA-2-2 Nombre de voies utilisées pour l'examen : 2 Type de capteurs Nombre : R15α - 2 Fréquence de résonance (khz) : 150kHz Filtres système (khz) : Préamplificateurs (modèle) : Intégrés au système avec Gain (db) : 26 Seuil d'acquisition (db EA : Réf. 1 μvolt/capteur) : Résultats Les données EA enregistrées lors des cycles statiques et celles enregistrées lors des cycles d endommagement sont dissociées pour permettre une meilleure analyse en temps réel des résultats Système d acquisition SAMOS Résultats obtenus pendant les essais statiques Le cycle de sollicitation se compose de six paliers en chargement (Figure 113). Les trois premiers n ont été réalisés que dans le but de vérifier le comportement de la structure à faible chargement. Les trois paliers suivants à 5400 N sont précédés d une montée en chargement supérieure à 5400 N qui vise à endommager la structure. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 91 / 105

92 Figure 117 : Activité générale au cours des essais statiques (SAMOS). Partie 1 : Amplitude des salves en fonction du temps avec visualisation du cycle de chargement. L échelle couleur représente le nombre de salves cumulées. Partie 2 : Nombre de salves cumulées (en rouge) et énergie cumulée (en vert) en fonction du temps avec visualisation du cycle de chargement. La Figure 117 montre que des salves sont naturellement détectées lors de la montée au deuxième et au troisième palier, l émission se stabilise assez vite en palier. Lors du palier 4, précédé d un chargement à N, seules quelques salves de faible amplitude sont détectées. Malgré une montée en chargement à N avant le palier 5 et N avant le palier 6, des salves de plus forte amplitude sont néanmoins détectées lors de ces paliers réfutant l effet Kaiser et montrant la présence d endommagements structurels. Résultats obtenus pendant les essais d endommagement La Figure 118 montre que des salves sont détectées lors de tous les chargements. Les premières salves de très fortes amplitudes apparaissent dès le deuxième chargement. L effet Kaiser stipule qu aucune salve ne doit être détectée avant que la sollicitation maximale précédemment appliquée ne soit atteinte. Cet effet Kaiser n est pas totalement respecté lors du troisième et du dernier chargement puisque les premières salves sont détectées à N (palier précédent : N) et N (palier précédent : N) respectivement. Le non respect de l effet Kaiser montre que la structure est endommagée. La Figure 119 montre la présence de cinq sources S1, S2, S3, S4 et S5 localisées durant l essai. Pour l aile droite, la source principale, S1, se situe au niveau de la nervure 1. Les autres sources sont toutes localisées sur l aile gauche. Les sources S2, S3, S4 et S5 sont situées respectivement sur les nervures N1, N2, N4 et N5 (proche du point d application de la force). L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 92 / 105

93 Figure 118 : Activité générale au cours des essais d endommagement (SAMOS). Partie 1 : Amplitude des salves en fonction du temps avec visualisation du cycle de chargement. L échelle couleur représente la densité des salves. Partie 2 : Nombre de salves cumulées (en rouge) et énergie cumulée (en vert) en fonction du temps avec visualisation du cycle de chargement. Figure 119 : Localisation linéaire des événements sur le longeron au cours des essais d endommagement (SAMOS). L analyse des sources permet de caractériser l évolution de l endommagement en fonction de la sollicitation. Pour la réalisation des courbes Felicity, le paramètre déplacement des vérins est choisi car le signal force est très bruité (Figure 120, Figure 121, Figure 122, Figure 123 et Figure 124). Figure 120 : Energie des événements de la source S1 en fonction du déplacement (courbe Felicity). Figure 121 : Courbe Felicity de la source S2. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 93 / 105

94 Figure 122 : Courbe Felicity de la source S3. Figure 123 : Courbe Felicity de la source S4. Figure 124 : Courbe Felicity de la source S5. Dans le cas de S1 (Figure 120), l émissivité arrive très rapidement avec un point d inflexion à environ 30 mm de déplacement équivalant à une force d environ N. La courbe possède ensuite une tendance linéaire. Elle ne conduit pas à rupture. La courbe Felicity de S2 (Figure 121) possède plusieurs points d inflexion à environ 25 mm, 40 mm et 65 mm équivalant à des forces respectives de N, N et N. La courbe a tout d abord une forte croissance suivie d une tendance linéaire. S2 ne conduit pas à rupture. La croissance de la courbe Felicity de S3 (Figure 122) débute tardivement (dernier cycle). Elle possède un point d inflexion à environ 55 mm de déplacement équivalant à une force d environ N. La courbe a une tendance exponentielle. La courbe Felicity de S4 (Figure 123) possède un point d inflexion à environ 30 mm de déplacement équivalant à une force d environ N. La courbe Felicity de S5 (Figure 124) possède un point d inflexion à environ 65 mm de déplacement des vérins. La courbe a une forte tendance exponentielle et annonce la rupture Système d acquisition Pocket EA Contrairement à ce qui a été effectué précédemment, les données provenant des sollicitations statiques et des cycles d'endommagement ont été enregistrées dans un même fichier. La Figure 125 donne des résultats en temps réel similaires à ceux précédemment obtenus : des détections de salves, principalement pendant les chargements à N, N, N et jusqu à rupture. Il y a également L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 94 / 105

95 des salves détectées lors des paliers suivant les chargements à N et N. La Figure 126 corrobore également les résultats obtenus précédemment en montrant que le capteur 1 (aile droite) détecte les salves de plus forte amplitude jusqu à N puis à partir de la montée en chargement à N, le capteur 2 (aile gauche) est celui qui détecte les salves de plus forte énergie. La détection précoce de salves de très forte énergie lors du deuxième et du troisième cycle d endommagement pourrait être utilisée comme un critère d endommagement. Le dernier chargement n a pas été enregistré jusqu à son terme du fait d'une saturation de la mémoire du Pocket EA. Figure 125 : Activité générale (Pocket EA). Partie 1 : Amplitude des salves en fonction du temps avec visualisation du cycle de chargement. L échelle couleur représente le nombre de salves cumulées. Partie 2 : Nombre de salves cumulées (en rouge) et énergie cumulée (en vert) en fonction du temps avec visualisation du cycle de chargement. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 95 / 105

96 Figure 126 : Réception des salves par voie (Pocket EA). Partie 1 : Amplitude des salves en fonction du temps avec visualisation du cycle de chargement. Partie 2 : Energie des salves en fonction du temps avec visualisation du cycle de chargement. 12 Conclusions 12.1 Typologie des criques et problématique du contrôle Des observations ont été réalisées sur des longerons de CAP10 et ont permis de définir la problématique du contrôle. Les criques sont situées aussi bien au niveau de l'intrados que de l'extrados de la voilure. Il existe des zones privilégiées de formation de ces criques. Ces zones sont situées à proximité immédiate de la liaison voilure / fuselage et s'étendent jusqu'à la liaison des trains d'atterrissages : soit 0,5 m environ. La totalité du longeron doit cependant pouvoir être inspectée. Tous les avions sont vérifiés périodiquement. Ces contrôles sont principalement visuels et externes. D autres visites telles que les "grandes visites" ou "révisions générales" sont plus poussées et nécessitent le démontage de certains éléments de l avion. L ouverture du revêtement de la voilure pour inspection est particulièrement délicate. Des entailles involontaires, induites par cette opération, deviendront des criques. L examen reste cependant visuel et subjectif. Certaines parties de l avion demeurent de plus difficiles d accès et sont difficiles à inspecter. Des criques peuvent également apparaître sous les semelles de jonction des nervures au longeron et sont impossibles à détecter visuellement. Le contrôle est avant tout nécessaire pour assurer le suivi de navigabilité pour tous les aéronefs de construction bois. L'inspection des aéronefs en service implique au mieux de promouvoir les méthodes de contrôle capable de sonder des éléments de structure sans un accès direct à ces éléments (présence d'un élément de revêtement). Il convient de prendre en considération le sondage de la structure avec un accès direct dans le cas où le sondage sans accès direct n est pas possible. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 96 / 105

97 L'objectif du contrôle est d'abord de déterminer la présence de criques dans les longerons d'avions de type CAP10 : existe t il des criques? Où sont-elles localisées? L'importance de la crique est une information secondaire (étendue en surface et profondeur) Méthodes de contrôle sélectionnées Certaines méthodes sélectionnées sont complémentaires ; l'association de plusieurs de ces méthodes peut augmenter le pouvoir de détection du protocole de contrôle mis en œuvre : Analyse d'image Inspection en surface avec accès direct. Seule cette méthode optique est envisagée car il n'est pas nécessaire de solliciter mécaniquement l'objet contrôlé. Cette méthode est analogue à un examen visuel ; elle est cependant non subjective. Thermographie Inspection en surface avec accès direct (la surface doit être préalablement chauffée). Rayons X Inspection en profondeur sans accès direct. Ultrasons Inspection en profondeur avec accès direct. Emission acoustique Écoute passive et localisation sans accès direct - Suivi en service Analyse d image sur échantillons de validation Les échantillons ont été scannés à plat (12 points par mm). L éclairage est orienté perpendiculairement à l échantillon. Une méthode, très simple, de traitement d image a été appliquée à l ensemble des échantillons afin de vérifier si les criques pouvaient être mises en évidence. Dans plusieurs cas la texture naturelle du bois masque complètement la crique, ou bien l orientation de l éclairage ne permet pas la détection. L utilisation de cette méthode serait alors possible en inspection si le contrôle était fait sous plusieurs angles d incidence de l éclairage, si les déformations des images obtenues dues à l optique de l imageur et aux différents angles d incidence pouvaient être corrigées en induisant une résolution suffisante et si les variations de texture naturelle du bois pouvaient être éliminées par un filtrage approprié de l image Thermographie infrarouge sur échantillons de validation Les essais ont consisté à appliquer une excitation thermique sur la surface de l échantillon qui est visée par une caméra. Différentes techniques et traitements ont été utilisés pour détecter le défaut : excitation «flash», excitation «échelon» et excitation rasante. Des essais ont également été réalisés en humidifiant l échantillon, la présence d eau modifiant les propriétés thermiques du bois de façon à les homogénéiser. Quels que soient les types d excitation ou de méthode utilisés, la crique n a pas pu être détectée. Ce type de défaut ne semble pas engendrer de modification significative des propriétés thermo - physiques du bois permettant de le détecter par thermographie infrarouge. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 97 / 105

98 12.5 Rayons X sur échantillons de validation Imagerie en transmission (35 kv, 400 μa, 20 μm) En transmission, les criques sont visibles par des zones plus sombres qui indiquent la présence de matière plus dense que la matière environnante. Les criques sont parfois visibles en transmission mais le contraste dépend beaucoup de l'orientation du faisceau par rapport à la fissure, et il serait nécessaire de prendre plusieurs vues à différentes inclinaisons pour garantir la détection (le temps d une prise de vue est de une minute). En effet, concernant la détection des criques de compression, qui sont des défauts plans, la sensibilité de l'imagerie par rayons X à ce type de défaut dépend fortement de l'orientation de la crique. La crique doit être orientée dans la direction du faisceau incident pour être détectée. D'autre part, l hétérogénéité naturelle du bois peut donner des contrastes très forts sur l'image, là encore, selon leur orientation par rapport au faisceau Diffusion Compton (120 kv, 230 μa, 20 μm) 12.6 Ultrasons L'intérêt par rapport au contrôle par transmission est que l'on s'affranchit des variations d'épaisseurs. La configuration géométrique de l essai ne nécessite l'accès qu'à un côté de la pièce, ce qui est mieux adapté à la problématique du contrôle. Le signal donné par le bois est très faible. La sensibilité nécessaire pour détecter la présence des criques n a pas été atteinte. Aucune fluctuation significative du nombre de photons reçus n est décelable à l endroit des criques. Un collimateur plus fin en sortie permettrait de délimiter un volume de mesure plus fin, mais actuellement, la puissance disponible sur le tube du laboratoire ne permet pas d'obtenir assez de signal. Un tube de plus forte puissance serait nécessaire. Une variation assez forte du nombre de photons est de plus visible sur plusieurs scans successifs de la même pièce. Cette variation peut-être due au tube lui-même (variation de la position du foyer par exemple car le réglage du collimateur devant le tube est très délicat), ou au détecteur. Il apparaît donc nécessaire (1) d arriver à augmenter le signal afin d'être sensible à de plus petites variations du nombre de photon, (2) de stabiliser la mesure permettant ainsi d obtenir une bonne répétabilité Réflexion normale par couplage avec de l eau sur échantillons de validation En cartographie B-Scan à 1MHz, les criques de compression sont détectables par la présence d anomalie (rupture d impédance acoustique). Pour chaque échantillon, la profondeur des criques a été relevée visuellement sur les faces latérales (à partir des images numérisées). L analyse des images B-Scan obtenues en réflexion normale a permis d estimer la profondeur des criques. Les profondeurs relevées en imagerie B-Scan sont cohérentes avec les profondeurs directement mesurées sur les échantillons. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 98 / 105

99 Incidence variable par couplage avec de l eau sur un élément de longeron L élément de longeron a été testé en incidence normale et en incidence oblique de +20 et -20 par rapport à la surface de l échantillon. Le transducteur utilisé fonctionne à 1 MHz. En incidence oblique, comme en incidence normale, la présence de la crique se traduit par une variation de l image B-Scan. Un sondage optimal serait formé par sondages successifs sous plusieurs angles d incidence. En l état actuel de l étude réalisée en laboratoire, l analyse ultrasonore permet de mettre en évidence des éléments importants dans le contrôle non destructifs de structure composite de type longeron. Sans être capable aujourd hui de conclure définitivement ou pour un cadre plus industriel (prototypage), l analyse ultrasonore réalisée présente un intérêt pour la détection des criques en compression. A 1 MHz, en imagerie B-Scan (image contraste d impédance), la détection apparait comme possible en cuve. Il semble important de considérer une approche plus complète et systématique du problème de la détection par ultrasons des criques de compression qui intégrerait d importantes études tant au niveau du matériau en bois constitutif, que de la structure lamellée collée, ou du contrôle à mettre en œuvre dans un contexte industriel. Ce travail préliminaire devrait être approfondi pour envisager sérieusement une exploitation industrielle d un protocole ultrasonore. En l état actuel de nos connaissances, il serait dangereux de baser un prototype industriel voire un contrôle sur ces seuls résultats qu ils soient académiques ou industriels. Il en va de l adaptabilité comme de la reproductibilité du protocole, et du risque final d un mauvais contrôle Essais ultrasonores par contact élastomère sur échantillons de validation La chaîne d'acquisition est intégrée à un système industriel portable Pocket AU. Les traducteurs sont équipés d un élément couplant constitué d un matériau élastomère. La gamme de fréquence adaptée au matériau bois et au matériau couplant couvre une bande de 200kHz à 400 khz. L hétérogénéité naturelle du bois (nœud, variation de densité ) se traduit par des variations du signal A-Scan pour une même éprouvette (selon la zone inspectée). L atténuation du signal n est pas constante pour chaque échantillon ce qui impose un réglage de gain différent pour chaque référence. Il apparaît donc difficile de définir une cale étalon référence pour cette étude. Les cartographies B-Scan obtenues ont toutes des profils différents et leur interprétation est très difficile. Sur 16 contrôles, 4 détections ont été possibles et aucune détection n a été relevée sur l échantillon de référence. Aucune détection réussie n a concernée des criques de faible taille. Une crique de taille importante n a pas été détectée. Les résultats obtenus ne permettent pas de valider complètement la méthode au regard des problèmes d interprétation du signal ultrasonore liés à l hétérogénéité du bois. Il serait cependant intéressant d effectuer une cartographie B-scan sur une même éprouvette de bois pour trois états mécaniques différents : état non compressé, état compressé non endommagé et état compressé avec L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 99 / 105

100 endommagement. En effet, une comparaison de ces 3 cartographies permettrait d évaluer, d une part, l influence de l opération de compression (historique du matériau) sur le signal ultrasonore et, d autre part, la possibilité de contrôler ces assemblages même sans référentiel absolu Suivi par ultrasons d une aile d avion de CAP10 cours d un essai de flexion 4 points Le suivi par ultrasons d un essai statique sur une aile de CAP10 a été réalisé en complément du suivi par émission acoustique. La chaîne d'acquisition ultrasonore utilisée est composée de capteurs avec préamplificateurs intégrés (utilisés en émission acoustique) et d un système d'acquisition multivoies (SAMOS - 64). Les signaux sont générés par une carte ARB14150 (2 sources). Les essais ont été réalisés périodiquement au cours de l essai statique après chaque relaxation sur la structure au repos. L évolution du temps de propagation entre l émetteur et les récepteurs, couplés sur les nervures, après chaque chargement n a pas présenté de variation significative au cours de l essai. Une analyse des paramètres extraits au cours du suivi a cependant permis d identifier l énergie des formes d ondes comme paramètre discriminant entre les différents tirs ultrasonores. Il est cependant impossible de déterminer l endroit de rupture de l aile. Le couplage des émetteurs - récepteurs ultrasonores sur le revêtement de la voilure permettrait de détecter une modification structurale du revêtement mais pas du longeron Emission Acoustique Emission Acoustique sur échantillons de validation Trente quatre échantillons ont été suivis par Emission Acoustique (carte PCI- 2). L activité acoustique ainsi que des localisations linéaires ont été réalisées et fournissent de bons résultats lorsque l endommagement est situé entre les deux capteurs. Il apparaît que l Emission Acoustique détecte un début d endommagement avant la rupture de l échantillon à 95% en moyenne de la contrainte maximum en se basant sur le point d inflexion de la courbe d activité acoustique. L énergie cumulée à la contrainte maximum est très variable. Il est donc difficile de définir un critère sur l énergie pour connaître l état de l endommagement. Un essai sans joint de colle et avec rupture du joint collé serait également intéressant à réaliser afin de vérifier l émissivité du joint de colle et de caractériser les endommagements Emission Acoustique sur morceau de longeron de CAP10 Au regard des résultats obtenus par compression des échantillons en laboratoire, et étant donné le peu de salves détectées lors de l essai, le critère de rupture en temps réel n a pas pu être déterminé. Il semble d ailleurs que les criques n ont pas participé à la rupture du morceau de longeron dans ce cas. La rupture serait due à une décohésion de la liaison âme semelle ; les deux zones situées entre le point de chargement et le support ont en effet été très fortement sollicitées en cisaillement. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 100 / 105

101 Emission Acoustique sur voilure de CAP10 Une voilure de CAP 10 a été testée sous diverses sollicitations. Des cycles à charge croissante sont intercalés avec des cycles à charge réduite, afin de produire un endommagement. Les cycles de chargement statique ont été appliqués afin de détecter même à charge réduite un endommagement existant. Le but de ces tests était de vérifier la faisabilité de l Emission Acoustique à détecter de manière précoce l endommagement et de caractériser le processus de rupture de la structure. Le suivi par Emission Acoustique de la voilure a permis de mettre en évidence la présence de cinq sources. Ces sources sont toutes positionnées le long du longeron principal. Seule une de ces sources est localisée sur l aile droite, à proximité immédiate de la liaison voilure/fuselage. Sur l aile gauche, une des sources est également située à proximité immédiate de la liaison voilure/fuselage. Ces deux sources apparaissent très rapidement, dès le premier cycle de chargement à N (25% de la charge à rupture CR). Il est très fortement conseillé d inspecter ces deux zones de liaisons fuselage/voilure. Les autres sources apparaissent plus tardivement et correspondent à la rupture du longeron et de la peau, rupture qui n'apparaît pas comme étant le résultat de criques de service. Les cycles de chargement statique à faible charge, 5400 N (11% de CR), notamment après le chargement à N (51% de CR), ont permis de détecter des endommagements existants sur les zones de liaison fuselage/voilure et à l emplacement de la rupture du longeron. Lors de ces mêmes séries d'essais sur l aile, un autre système d acquisition Pocket EA, portatif et autonome était relié à deux capteurs indépendants de ceux utilisés précédemment. Les résultats obtenus avec le Pocket EA corroborent parfaitement ceux obtenus avec l autre système d acquisition. Il est cependant à noter que les deux capteurs du Pocket EA ne permettent pas de localiser précisément l endommagement. En revanche, en positionnant les capteurs près de la liaison voilure/fuselage, il est possible de déterminer un critère d endommagement. Les paramètres de configuration du Pocket EA peuvent être optimisés pour des acquisitions longue durée, ne détectant que les signaux répondant aux critères d'endommagement. 13 Recommandations Il est préalablement rappelé que la majeure partie des avaries survenues en service sur des pièces ou structures mécaniques sont des ruptures par fatigue. Le chargement cyclique des zones critiques où se concentrent les contraintes en est à l'origine. Dans ces zones, l'endommagement progressif du matériau se manifeste par l'apparition de microfissures, apparition plus ou moins rapide selon la nature du matériau et l'importance du chargement appliqué. Après cette période d'amorçage, l'une des fissures ou plusieurs d'entre elles vont se propager dans toute l'épaisseur de la pièce jusqu'à la rupture brutale. Un contrôle est donc inévitable quelque soit le matériau utilisé pour fabriquer L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 101 / 105

102 un longeron (bois ou matériaux composites). L apparition de criques dans le longeron est une étape dans le processus normal de vieillissement du longeron. En se référant aux conclusions obtenues pour chaque méthode de contrôle testée : Analyse d'image L utilisation de cette méthode est envisageable. Par rapport à un examen visuel, cette méthode a l avantage d être non subjective. L analyse d image pourra au mieux être aussi efficace qu un œil humain averti. Des criques peuvent apparaître dans des zones inaccessibles au contrôle visuel. La relation entre observation visuelle des criques (classement subjectif par ordre d importance) et contrainte à rupture n a pas pu être mis en évidence. Il est hasardeux d affirmer par observation visuelle que la présence d une crique va provoquer la rupture prochaine du longeron. Thermographie Les essais de thermographie réalisés n ont pas permis de démontrer l efficacité de cette méthode pour détecter des criques. Rayons X L efficacité de cette méthode n a pas pu être démontrée avec certitude en laboratoire. Les contraintes de mise en œuvre expérimentale ne permettent pas d envisager l utilisation de cette méthode pour détecter des criques. Ultrasons Les essais en laboratoire ont démontré l intérêt de cette méthode pour la détection des criques. Les essais réalisés avec un appareil de contrôle industriel ont cependant montré qu un important travail de recherche et développement reste à être effectué. Emission acoustique L utilisation de l émission acoustique est envisageable pour déterminer le niveau d endommagement du longeron. Selon la configuration choisie, cette méthode permet, par écoute passive, de détecter l apparition d un endommagement et de le localiser tout au long de la durée de service de l avion. Le processus de contrôle nécessite l utilisation de plusieurs méthodes de contrôle non destructif pour être efficace. L ouverture du revêtement de la voilure est une opération très délicate. Cette opération peut conduire à la formation de criques. L opération d ouverture doit être réalisée à la fin du processus de contrôle. Il serait alors judicieux de concevoir le processus de contrôle par l utilisation combinée d un accéléromètre enregistreur du facteur de charge, d un enregistrement du poids total de l appareil avant chaque décollage et d un dispositif de surveillance embarqué, en temps réel par émission acoustique, du niveau d endommagement structurel. Au cours de la durée de service d un appareil et en se basant sur les informations recueillies par l ensemble des dispositifs embarqués de surveillance, il peut être décidé, lors d une révision régulière de l appareil, d ouvrir le revêtement de la voilure. Un examen visuel peut alors être réalisé ; les conclusions de cet examen devraient être validées par inspection ultrasonore afin de localiser précisément la zone de défaut dans le cas où cette zone est accessible. Une réparation du longeron pourra alors être décidée ou un remplacement complet de la voilure. L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 102 / 105

103 14 Coordonnées des auteurs Loïc Brancheriau CIRAD, UPR 40, Production et valorisation des bois tropicaux TA B-40/16, Avenue Agropolis Montpellier Cedex 5 [email protected] Jean Denis Lanvin Forêt Cellulose Bois-construction Ameublement Allée de Boutaut, BP Bordeaux Cedex [email protected] L. Brancheriau (CIRAD), J-D. Lanvin (FCBA) 103 / 105

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