S olutions CONTRÔLE NON DESTRUCTIF La tomographie fait un Rarement une méthode de contrôle non destructif n aura connu autant d avancées en l espace de quelques années. Avec le développement des détecteurs plans, les progrès accomplis dans les logiciels d analyse et de reconstruction 3D et l arrivée des générateurs à microfoyer, la tomographie à rayons X a changé d image. Depuis quelque temps, des grands noms de la mesure 3D s intéressent à cette méthode de contrôle. Associé, ou pas, à des palpeurs classiques, le tomographe est devenu un instrument de mesure à part entière. Pour le contrôle non destructif, c est la tomographie en ligne qui commence à faire parler d elle. Fini les temps de calcul interminables, place à la tomographie instantanée. Longtemps restée dans l ombre des autres méthodes de contrôle non destructif, la tomographie suscite aujourd hui un nouvel engouement. Ses profondes évolutions depuis quelques années en sont le principal tremplin. Plus rapides, plus précis, moins encombrants, les appareils progressent sur tous les fronts et offrent à la tomographie de nouveaux champs d applications. Dans le principe, pourtant, rien n a changé. Les tomographes sont toujours constitués d un générateur à rayons X, d un système de positionnement sur lequel on place la pièce à contrôler et d un détecteur. Ce dernier est relié à une électronique d acquisition et à un PC équipé d un logiciel de reconstruction et de visualisation en 3D de la pièce sous contrôle. Le faisceau de L essentiel La tomographie à rayons X connaît d importantes évolutions Le développement des générateurs à microfoyer ouvre la voie aux applications de métrologie 3D Les logiciels d analyse et de reconstruction progressent, si bien que la tomographie 3D pourrait un jour s intégrer en ligne rayons X émis traverse plus ou moins facilement la pièce à contrôler suivant la densité du matériau qui la compose. Les variations de contraste obtenues sur le détecteur fournissent alors une radiographie en 2D de la pièce. Reste ensuite à déplacer la pièce devant le générateur pour obtenir une multitude de vues en 2D puis en 3D (suite à une reconstruction mathématique). A partir de là, tout est possible, ou presque. Le logiciel de visualisation permet de réaliser n importe quelles coupes de la pièce, contrôler toutes sortes d éléments invisibles à l œil nu, détecter les défauts internes ou encore voyager librement au cœur même de la pièce. «Les possibilités sont énormes! s exclame François Curnier, p. d.g. de la société Digisens (qui développe des logiciels de reconstruction et de visualisation 3D). Ce qui était complètement utopique il y a encore quelques mois est désormais réalisable.» Pour comprendre le chemin parcouru, il faut revenir aux premières applications de tomographie au début des années 70. A cette époque, la méthode est surtout utilisée dans le domaine médical. Les tomographes sont très volumineux, coûteux et relativement lents, mais ils présentent un intérêt évident : la possibilité d effectuer un contrôle non invasif. Ces appareils intéressent très vite les industriels pour des applications de santé matière (recherche de porosités, de manques de matière, de fissures non-débouchantes, etc.). Premiers secteurs concernés, l aérospatiale et l aéronautique. Grâce à la tomographie, ils disposent enfin d une solution pour contrôler de manière non destructive toutes sortes de pièces stratégiques (éléments de fusées, boosters, etc.). Les tomographes utilisés à cette époque sont basés sur des détecteurs linéaires. Une fois disposées sur la platine de positionnement, les pièces sont déplacées devant la barrette du détecteur et traversées par un faisceau relativement fin. On obtient alors une mul- 30
pas vers la mesure titude d images représentant des coupes en 2D de la pièce (ce sont des tranches de la pièce aux endroits où elle a été traversée par le faisceau). Grâce à un logiciel de reconstruction, il est possible de visualiser la pièce en 3D et de l observer sous tous les angles. On peut ainsi contrôler sa structure interne et détecter les éventuels défauts. Digisens Jusqu à la fin des années 90, la tomographie reste quasiment à ce stade et s applique à un grand nombre d applications en contrôle non destructif. A partir du début des années 2000, elle connaît un tournant décisif. «Les logiciels de reconstruction permettent alors de passer du 2D au 3D, explique Sylvain Genot, responsable technique de Tomoadour (prestataire de services en tomographie 3D). Dès lors, de nouvelles applications deviennent accessibles : mesures dimensionnelles (internes et externes), numérisation 3D, rétroconception, etc.» C est aussi à cette époque que l on voit apparaître les premiers CBCT (Cone-Beam Computed Tomography ou tomographie à faisceau conique assistée par ordinateur). Cette foisci, la pièce n est plus déplacée devant un détecteur linéaire, mais disposée sur un plateau rotatif dans le champ d un faisceau conique. Il suffit de la faire tourner devant un détecteur plan pour obtenir plusieurs images en 2D (puis en 3D par reconstruction logicielle). Les premiers détecteurs plans mesurent à peine quelques centimètres de côté. Ils s intègrent donc dans des tomographes de petite taille utilisables sur des paillasses de laboratoire. Là encore, c est le secteur médical qui fait office de précurseur, avec l emploi de tomographes pour l analyse de prélèvements osseux. Il est suivi de près par l industrie dans des secteurs extrêmement variés (aérospatiale, aéronautique, automobile, agroalimentaire, métallurgie des poudres, matériaux composites, plastiques, etc.). La révolution du microfoyer Si les deux principes cœxistent aujourd hui, les détecteurs plans sont de loin les plus répandus. Il faut dire qu ils sont moins encombrants et jusqu à dix fois plus rapides que leurs homologues linéaires. Mais tout dépend de ce que l on recherche : «Les dimensions actuelles des détecteurs plans sont de 40 x 40 centimètres. Si l on souhaite contrôler des pièces plus grandes, il faut donc réaliser plusieurs mesures et rassembler ensuite les nuages de points, ou alors utiliser des détecteurs linéaires. Dans ce cas, le contrôle est plus long», précise Loïc Chérel, 31
RX Solutions La tomographie à rayons X donne accès à la structure interne des pièces contrôlées. Le rendu, très réaliste, est obtenu de manière non destructive. En associant un tomographe avec un palpeur classique de machine à mesurer, Werth fait entrer la métrologie 3D dans le champ d applications de la tomographie. Le palpeur permet de recaler les mesures prises par le tomographe et d obtenir une résolution élevée. Werth Digisens Tous les tomographes sont constitués d un générateur à rayons X, d un système mécanique de positionnement et d un détecteur. président de RX Solutions (fabricant de machines de tomographie et prestataire de services). «Avec notre tomographe à détecteur linéaire, par exemple, nous pouvons contrôler des pièces allant jusqu à 50 centimètres de diamètre sur 1 mètre de long», confirme Sylvain Genot (Tomoadour). Autre différence entre les deux principes, l énergie du tube à rayons X. La plupart des tomographes à détecteurs plans du marché sont dotés d un tube de basse énergie (160 ou 240 kv). Ces appareils répondent à de nombreux besoins, mais trouvent leurs limites lorsqu il s agit de contrôler des pièces massives. Les rayons X, rappelons-le, traversent facilement les matériaux de faible densité (peau, tissus, carbone, plastique, etc.), mais ils sont plus fortement atténués par les pièces plus denses (métaux, minéraux, etc.). Traverser des pièces massives exige donc une source d énergie plus forte. Enfin, les détecteurs plans offrent aussi une résolution plus faible que les détecteurs linéaires. Mais sur ce point, les fournisseurs ont trouvé la parade : la microtomographie. Cette technique se distingue par son générateur à rayons X. «En microtomographie, nous utilisons des générateurs dits à microfoyer qui ont la particularité d avoir un très petit spot d émission (de l ordre de quelques microns), explique Loïc Chérel (RX Solutions). On obtient donc des images très nettes, et on effectue des mesures à des résolutions de quelques microns (contre quelques centaines de microns en tomographie classique).» Autre atout des microtomographes : leur faible encombrement. Certains équipements autoprotégés s installent dans un bureau, comme de simples machines à mesurer tridimensionnelles. De la tomographie à la métrologie 3D La microtomographie, apparue il y a près de cinq ans, n en finit pas de faire des adeptes. «Les générateurs à microfoyer contribuent à l engouement suscité par la tomographie à rayons X. Il est désormais possible d obtenir des acquisitions 3D avec une résolution élevée et des sources bien stabilisées», souligne Jean-Claude Lecomte, directeur d Insidix (fournisseur d appareils et de services dans le CND de haute résolution).en quelques années, l enthousiasme pour la microtomographie a dépassé les frontières du contrôle non destructif pour gagner celles de la métrologie 3D. Werth a été le premier à s y intéresser. En 2004, cette société allemande propose un nouveau concept : associer dans la même machine un tomographe et un palpeur classique à contact. Dès lors, le tomographe n est plus un outil de contrôle non destructif réalisant des mesures dimensionnelles. Il devient un moyen de mesure à part entière. «Le TomoScope est avant tout une machine à mesurer qui peut être également utilisée pour des applications de santé matière», souligne Bruno Vetticoz, directeur de Werth France. La nuance est importante. Dans les machines de la série TomoScope, tout a été conçu pour améliorer la précision de la mesure. «Avec un tomographe, il est difficile d obtenir une résolution meilleure que 15 µm (notamment à cause des artefacts de mesure). Pour pallier cette limitation, nous avons développé un système d autocorrection», explique Bruno Vetticoz (Werth France). Le palpeur à contact vient prendre des mesures sur quelques points spécifiques avec une résolution élevée (de l ordre du micron). Grâce à cette opération, les points mesurés en tomographie sont corrigés et on obtient une mesure 3D de bonne résolution. 32
Quand les tomographes deviennent des machines à mesurer Avec l apparition de générateurs à microfoyer, deux grands noms de la mesure 3D se sont intéressés à la tomographie : Werth (avec sa gamme TomoScope) et Zeiss (avec son Metrotom). Chez Werth, la gamme TomoScope est un prolongement presque naturel de l offre existante. La société allemande est en effet restée fidèle à son principe de machines multicapteur en développant un appareil hybride doté d un tomographe et d un palpeur classique de MMT. Ce dernier vient prendre des mesures sur quelques points spécifiques. Grâce à cette opération, les points mesurés en tomographie sont corrigés et l on obtient au final une mesure de résolution élevée (de l ordre du micron). Le Metrotom de Zeiss est au contraire un vrai tomographe destiné principalement aux applications de mesure dimensionnelles. Il est associé à une extension du célèbre logiciel de métrologie Calypso de la société. L utilisateur dispose ainsi de toutes sortes de fonctions que l on ne trouvait jusqu à présent que sur des logiciels classiques de MMT (contrôle de cotes 2D, de planéité, etc.). Quant à la résolution, elle est de l ordre de 8 µm. Toutes ces machines sont autoprotégées. Elles peuvent donc être installées dans un environnement de travail classique (bureau d études, salle de métrologie, etc.). Les derniers tomographes ne sont plus des instruments de contrôle non destructif qui permettent de faire de la mesure, mais sont aussi des machines à mesurer à part entière. Les deux principes sont utilisables de manière indépendante. Si l on souhaite simplement contrôler des cotes en 2D, on utilise seulement le palpeur à contact (sans avoir ensuite besoin de recaler la tomographie). Les deux machines de la gamme TomoScope sont autoprotégées. Il n est pas nécessaire de les installer dans une pièce spécifique afin de protéger les opérateurs des rayons X. Les machines peuvent être disposées dans un environnement de travail classique (salle de métrologie, bureau d études, etc.). La puissance du tube à rayons X est relativement limitée (130 et 225 kv), mais elle répond malgré tout à de nombreux besoins. «Avec la machine à 225 kv, on contrôle des pièces allant jusqu à 500 mm de diamètre sur 500 mm de longueur. Au niveau des épaisseurs traversées, il est possible d aller jusqu à 80 mm dans l aluminium et 50 mm dans l acier», précise Bruno Vetticoz (Werth France). Les deux machines sont dotées d un générateur à microfoyer, d un détecteur plan et d un plateau rotatif (la pièce peut même être déplacée verticalement si besoin est). Quant au logiciel associé, il gère à la fois le générateur à rayons X, le tomographe, et l analyse du nuage de points. Zeiss, un autre grand nom de la mesure 3D, s est également intéressé à la microtomographie. Il y a quelques mois, l annonce du lancement de son système Metrotom a fait grand bruit : Zeiss osait pour la première fois associer la tomographie à la métrologie. Le Metrotom est basé sur un détecteur plan et un tube à microfoyer de 225 kv. Il offre un volume de mesure de 350 x 350 x 350 millimètres. «Avec cette machine, nous pouvons traverser le plastique jusqu à 250 mm, l aluminium jusqu à 120 mm et l acier jusqu à 10 mm», indique Philippe Vallet, responsable administratif chez Zeiss. La résolution de la mesure, quant à elle, est de l ordre de 8 µm. La machine affiche bien sûr des dimensions conséquentes (3 x 1,7 x 1,2 m), mais elle est RX SOLUTIONS 33
dotée de sa propre protection contre les rayons X. Elle est donc utilisable partout. La société allemande a aussi porté ses efforts sur le logiciel associé au Metrotom. Il s agit en fait d une extension (dédiée à la tomographie) de son célèbre logiciel de mesure 3D Calypso. L utilisateur dispose ainsi de toutes sortes de fonctions que l on ne trouvait jusqu à présent que sur des logiciels classiques de machines à mesurer tridimensionnelles : le contrôle de cotes plans, de planéités, etc. Il est aussi possible de reconstruire la pièce en 3D et de comparer les écarts éventuels que l on obtient avec les fichiers de CAO. De là à penser que les tomographes concurrencent les MMT, il n y a qu un pas que personne n oserait franchir. «Les deux méthodes sont totalement complémentaires, souligne Philippe Vallet (Zeiss). Avec un tomographe, le temps de mesure est 8 à 10 fois plus rapides qu avec un palpeur à contact, mais la précision est plus faible.» Pour Sylvain Genot (Tomoadour), «les machines à mesurer sont plus précises, mais elles ne permettent pas d avoir accès aux géométries internes (sauf si le contrôle devient destructif)». La tomographie, elle non plus, ne résout pas tout. «Certaines mesures peuvent être difficiles. C est le cas par exemple lorsque l on doit contrôler des matériaux très hétérogènes (telle qu une pièce en plastique avec des inserts de cuivre). A cause de certains artefacts de mesure, il y a des éléments que l on voit mal», précise Loïc Chérel (RX Solutions). Pour d autres fournisseurs, la question n est pas là. «Il ne faut pas oublier l étalonnage du moyen de mesure, souligne Jean- Claude Lecomte (Insidix). En tomographie, il n existe pas encore de normes, à ma connaissance, qui permettent de s assurer que l on peut dimensionner un objet avec une incertitude fiable et reproductible.» Bientôt la tomographie en ligne La tomographie à rayons X Principaux avantages Contrôle non destructif Accès aux structures internes des pièces Possibilité de contrôler une large gamme de matériaux (avec un générateur approprié) Nombreuses applications : santé matière (détection de défauts tels porosités, bulles, variations de densité, fissures non débouchantes, etc.), analyse dimensionnelle, contrôle d épaisseurs, contrôle d assemblages complexes, numérisation 3D, rétroconception, etc. Principales limitations Coût Temps d acquisition et de calcul (si besoin de haute résolution) Certains éléments restent difficiles à voir (fissures jointives, matériaux très hétérogènes, etc.) Secteurs concernés Industrie (automobile, aérospatiale, aéronautique, matériaux composites, plastiques, fibres optiques, etc.), médecine, archéologie, sciences de la vie, etc. La tomographie à rayons X doit aussi une importante part de son succès au fait que le contrôle est devenu de plus en plus rapide. Jusqu à présent, la plupart des contrôles nécessitaient l acquisition d images, puis le traitement des données. Aujourd hui, de nouvelles pistes sont explorées. «On peut réaliser les calculs au fur et à mesure que la pièce tourne sur elle-même, ou placer plusieurs moyens de calcul en parallèle pour gagner du temps», souligne Loïc Chérel (RX Solutions). Chez Werth, par exemple, la reconstruction 3D se produit pendant le temps de la mesure. Les nuages de points sont récupérés au fur et à mesure par un cluster de PC, et c est lui qui effectue le calcul. «Il y a quatre ans, on avait encore une heure d analyse et trois heures de reconstruction. Maintenant, c est fini!», s exclame Bruno Vetticoz (Werth France). De nombreux progrès ont aussi été accomplis dans les logiciels d analyse et de reconstruction 3D. L impulsion, cette fois-ci, est venue du domaine des jeux vidéo. En ouvrant ses cartes graphiques à la programmation, Nvidia a en effet permis d utiliser des cartes standards peu coûteuses, et de gagner beaucoup de temps au niveau du traitement des données. La première version du logiciel de reconstruction tomographique SnapCT de Digisens (sortie en juillet 2007) exploite ces nouvelles possibilités. «SnapCT reconstruit un volume de 512 x 512 x 512 mm en 12 secondes, alors que les cartes spécialement conçues pour la reconstruction tomographique affichent pour ce même volume un temps de 38 secondes, souligne François Curnier (Digisens), qui va même plus loin, «Désormais, il n y a plus d obstacles techniques : la tomographie peut être installée en ligne.» La tendance, pour l instant, concerne surtout les applications de contrôle non destructif. En métrologie, il faut que la pièce ait le temps de redescendre à la bonne température avant d être mesurée, et que l exposition soit assez longue pour obtenir l image la plus nette. Bref, «les temps sont encore trop longs pour que des machines comme le TomoScope soient installées en production», précise Bruno Vetticoz (Werth France). En contrôle non destructif, on retrouve évidemment la même règle : plus le temps d exposition aux rayons X est long, plus la résolution est fine. Si l on souhaite réaliser un contrôle à haute cadence par tomographie, ce sera donc peut-être au détriment de la résolution. «Les appareils ne rechercheront pas des détails inférieurs à 5 µm, mais ils détecteront malgré tout un grand nombre de défauts permettant de savoir si la pièce est bonne ou pas», indique François Curnier (Digisens). Avant d en arriver là, il faudra aussi améliorer la fiabilité des appareils. «S ils sont installés en ligne, ils devront en effet tourner 24 heures sur 24», précise Loïc Chérel (RX Solutions). Le jeu doit aussi en valoir la chandelle. La tomographie à rayons X reste en effet une méthode coûteuse puisqu il faut compter de 250 000 à 800 000 pour acquérir un tomographe (suivant la puissance du générateur, la qualité du capteur, etc.). Dans un premier temps, un contrôle en ligne par tomographie ne sera donc justifié que pour des objets à forte valeur ajoutée, des pièces stratégiques jouant un rôle important dans la sécurité d un équipement, voire dans l image d un fournisseur par rapport à ses clients. «Il faut surtout se demander dans quel cas il sera pertinent d utiliser la tomographie à rayons X pour réaliser un contrôle en ligne. A mon sens, il vaut mieux maîtriser son process, et ne réaliser un contrôle à 100 % que lorsque l on a un doute, estime Jean-Claude Lecomte (Insidix). La tomographie est un outil très intéressant pour développer un produit ou mettre au point un procédé. Cela serait une erreur de la destiner uniquement à des applications de contrôle qualité.» Quel avenir pour la tomographie? Pour certains, de nombreux développements sont encore attendus au niveau des détecteurs plans afin de trouver des solutions plus rapides. D autres pensent surtout à des moyens de s affranchir des artéfacts de mesure. D autres enfin estiment que les logiciels de reconstruction ont encore de beaux jours devant eux dans les applications de métrologie et de contrôle non destructif. Une chose est sûre, la tomographie n a pas fini de faire parler d elle. Marie-Line Zani-Demange 34