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Les ondes Térahertz, une alternative prometteuse aux méthodes classiques de CND

Les ondes Térahertz, une alternative prometteuse aux méthodes classiques de CND

par Gaëtan Lefèvre13 juin 2016
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L’un des principaux intérêts de la fabrication additive (FA) relève de la possibilité de réaliser, d’un seul bloc, des pièces de géométrie très complexe, irréalisables sans assemblage ni soudure par des techniques traditionnelles. En conséquence, l’inspection de ces pièces ne peut plus se faire uniquement avec des méthodes de contrôle non destructif (CND) dites surfaciques. Il faudra avoir recours à des méthodes dites volumiques.

Par Anne-Françoise Obaton du Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE)

 

Parmi les méthodes volumiques utilisées classiquement et permettant de détecter, localiser et caractériser des défauts, figurent les contrôles suivants.

  • Les courants de Foucault : la pièce sous test est excitée avec un flux magnétique variable. Un détecteur permet d’observer les éventuelles perturbations du flux causées par un défaut ou un changement de milieu.
  • Les ultrasons (US) : la pièce sous test est excitée par des ondes ultrasonores. Un traducteur ou une matrice de traducteurs (US multiéléments) mesure la réflexion ou la diffraction (TOFD : Time of flight diffraction) à l’interface avec un défaut ou un changement de milieu.
  • La thermographie : la pièce sous test est excitée avec un flux thermique. Un imageur ou une caméra thermique permet d’observer les éventuelles perturbations causées par un défaut ou une différence de milieu dans la propagation de la chaleur.
  • L’émission acoustique : la pièce sous test est sollicitée naturellement en fonctionnement par des contraintes mécaniques, thermiques ou chimiques. Cela engendre la propagation d’ondes acoustiques. La perturbation de ces ondes causée par la présence d’un défaut ou d’une différence de milieu sera mesurée avec un maillage de capteurs piézo électriques.
  • La radiographie : la pièce est excitée avec des rayons X ou g. La présence d’un défaut ou une différence de milieu atténue l’intensité des rayons. Un détecteur (X) ou un film photographique (g) permet de visualiser cette atténuation en nuances de gris.
  • La tomographie à rayons X : il s’agit de radiographies prises autour de la pièce sous différents angles de vue, suivies d’une phase purement mathématique qui consiste à reconstruire numériquement la pièce dans un volume 3D.

Tomographie et ondes électromagnétiques

En fabrication additive et particulièrement pour certains procédés, vérifier la qualité d’une pièce ne consiste pas uniquement à détecter, localiser et caractériser des défauts éventuels. Il faut également contrôler que la géométrie et les cotes de la pièce sont conformes au cahier des charges. Pour ce faire, il faut comparer le dessin numérique initial de l’objet avec la pièce finale. À partir de mesures réalisées avec un scanner 3D ou une machine à mesurer tridimensionnelle (MMT), nous pouvons comparer l’enveloppe externe de l’objet au dessin numérique. Cependant, en toute rigueur, il faut examiner l’ensemble de la pièce, les structures internes et externes. Les seules méthodes qui permettent cette double inspection externe et interne sont les méthodes d’imagerie 3D telle que la tomographie X.

Toutefois, dans le spectre fréquentiel, d’autres ondes électromagnétiques sont présentes comme les ondes térahertz (figure 1-ci-dessous). Ces ondes ont longtemps été délaissées faute de solutions simples pour les générer et les détecter. Aujourd’hui, grâce au progrès de la micro électronique, les scientifiques sont capables de les produire et de les détecter aisément.

Spectre onde electromagnetique_ a3dm magazine_Figure 1

Les ondes térahertz peuvent détecter, localiser et caractériser des défauts par spectroscopie résolue en temps. Mais elles peuvent également faire de l’imagerie 3D par temps de vol ou par tomographie. Depuis une dizaine d’années, bon nombre de chercheurs du monde entier travaillent sur les ondes térahertz. Ces ondes possèdent des propriétés exceptionnelles, sans danger pour la santé et avec un fort pouvoir pénétrant. Ces ondes mi-radio, mi-lumière, devraient bouleverser de nombreux secteurs d’activité : la médecine, le traitement de l’information, la chimie, l’astronomie, la sécurité et le contrôle non destructif. L’équipe de Patrick Mounaix, du Laboratoire de l’Intégration du Matériau au Système (IMS), de l’université de Bordeaux, a développé des moyens de mesure et d’analyse dans ce domaine.

Des contrôles pour polymère et céramique

Compte tenu de la bande fréquentielle des ondes térahertz par rapport aux rayons X, il est utopique d’obtenir des images d’égale résolution spatiale (les longueurs d’ondes varient entre 75 μm et 3 mm). Par ailleurs, les ondes térahertz ne sont pas appropriées pour sonder le métal et les matériaux fortement conducteurs car elles sont écrantées. Cependant, elles sont prometteuses pour les matériaux polymères et la céramique, qui comptent parmi les matériaux les plus utilisés en fabrication additive. Les industriels qui ont adopté cette technologie sont en quête de méthodes moins onéreuses que la tomographie X pour qualifier leurs pièces (détection de défauts, déformations, dimensionnement de géométrie complexes). En conséquence, en collaboration avec l’équipe Laser et terahertz Test Team de l’IMS, nous avons entrepris d’explorer les possibilités de ces ondes térahertz pour le contrôle en fabrication additive. Notre investigation s’est tout d’abord portée sur les polymères. Les résultats obtenus en tomographie sur des pièces en PEEK, PEKK et polyamide 12 ont été particulièrement concluants1. À l’heure actuelle, nous nous intéressons à la céramique en collaboration avec Richard Gaignon et Benjamin Pradeau de la société limougeaude 3D Ceram. Cette société conçoit depuis 2010 et commercialise depuis 2014 des machines de la catégorie « photopolymérisation en cuve » (figure 2-ci-dessous).

Machine ceram de 3d ceram-a3dm magazine-Ceramaker

Leur technologie utilise le procédé FCP (Fast Ceramic Production) développé par le laboratoire du CNRS Science des Procédés Céramiques et de Traitements de Surface (SPCTS) de Limoges. Ces machines sont dédiées à la céramique : alumine, zircone, hydroxyapatite, ATZ (Alumina Toughened Zirconia). 3D Ceram fabrique également des pièces et développe les formulations de pâtes céramiques composées de résine photosensible et de céramique utilisées dans leur machine. Le principe de la fabrication consiste à construire la pièce, couche après couche, par photopolymérisation de la résine avec un laser UV (355 nm). En sortie machine, la pièce, dite verte (composée de résine photosensible et de céramique), subit un traitement thermique afin de la délianter et de la fritter. Cette étape permet d’éliminer la résine et de densifier la céramique à 100 %. Elle induit un rétrécissement géométrique de la pièce de 17 à 20 % suivant le matériau, d’où la nécessité de contrôler que les spécifications géométriques initiales de la pièce sont bien conservées. Cette technologie intéresse particulièrement le luxe pour la qualité de la texture des pièces « sortie machine », mais également le secteur médical pour les propriétés d’ostéo-intégration de la céramique, et naturellement d’autres secteurs industriels comme celui de la microfluidique.

Spectrométrie térahertz de pièces en zircone

Nous avons procédé à des mesures par spectrométrie térahertz d’une de leurs pièces en zircone destinée à des applications en microfluidique (figure 4A) en collaboration avec Patrick Mounaix, Jean-Baptiste Perraud et Hugo Balacey de l’IMS. Les mesures ont été réalisées en transmission avec le spectromètre térahertz TPS 3000 de TeraView (figure 3).

Ondes terahertz-a3dm magazine-Figure 3a-TPS3000 de TeraView Ondes terahertz-a3dm magazineFigure 3b-TPS3000 de TeraView-montage transmission

Figure 3

a) Spectromètre térahertz TPS 3000 de TeraView.
b) Montage expérimental du TPS 3000
pour les mesures en transmission.

Les résultats permettent de visualiser clairement les canaux à l’intérieur de la pièce, de les inspecter et de les mesurer (figure 4C). On observe la surpolymérisation en extrémité des canaux dans les zones coudées. Cette interprétation est confortée par la comparaison avec l’image optique de la pièce coupée en deux (figure 4B).

Ceramique 3D - a3dm magazine - Figure 4 a Ceramique 3D - A3DM Magazine - Figure 4 b Ceramique 3D - a3dm magazine - Figure 4 c

Figure 4

a) Pièce en céramique de 3D Ceram.
b) Image optique de la pièce coupée en deux.
c) Image obtenue par spectro – imagerie térahertz à l’IMS.

En conclusion, ces résultats mettent en exergue les perspectives de contrôles que peuvent apporter les ondes térahertz pour les matériaux céramiques. Bien sûr, de nombreux efforts sont à réaliser pour passer de la phase de laboratoire à la phase de transfert, mais l’imagerie térahertz devrait se développer au cours de la prochaine décennie. Les ondes térahertz sont bel et bien perçues comme une source d’imagerie et d’analyse sans contact, porteuses d’applications en contrôles surfacique et volumique.

 

Patrick Mounaix

Directeur de Recherches / Senior Researcher Laboratoire IMS – UMR 5218 CNRS – Groupe Nano – Équipe Laser Université Bordeaux, Bat A31

351, Cours de la Libération – 33405 Talence Cedex – FRANCE

patrick.mounaix@u-bordeaux.fr

 

Richard Gaignon

Président / CEO de 3D Ceram

Tel : 05 55 04 10 90

richard.gaignon@3dceram.com

 

Note

1 – J.-B. Perraud, A.-F. Obaton, J. Bou-Sleiman, B. Recur, H. Balacey, F. Darrack, J.-P. Guillet and P. Mounaix, “THz imaging and tomography as efficient instruments for testing polymer additive manufacturing objects”, Applied Optics, Vol. 55, Issue 13, pp. 3462-3467 (2016). DOI:10.1364/AO.55.003462.

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Gaëtan Lefèvre
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