Magazine Vendredi 22 juin 2018 - 07:00

La tomographie assistée par ordinateur

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Tomographie Volume Graphics A3DM

Codes couleurs pour les écarts détectés par la comparaison théorique/réel.

La tomographie assistée par ordinateur utilise des rayons x pour créer un modèle en trois dimensions. Comment fonctionne-t-elle ? Quels sont les avantages de la tomographie industrielle ? A3DM Magazines'est penché sur le sujet.

Il y a une vingtaine d'années, la lumière n'était que peu utilisée pour la métrologie et peu de personnes y croyaient. Quelques années plus tard, on trouve pourtant des systèmes de scanner à lumière blanche dans toutes les entreprises, jusque dans les ateliers de fabrication ; il s'agit d'une technologie régie par des normes, et dont les possibilités ne sont plus remises en cause. Ses avantages sont importants et son faible nombre d’inconvénients en ont fait une technologie de pointe. Les plus grandes entreprises mondiales vendent chaque année des milliers de scanners de qualité métrologique, et cette technologie s’est même fait une place chez les consommateurs.

Aujourd’hui, la tomographie industrielle assistée par ordinateur suscite l’attention de nombreuses sociétés. Alors, de quoi s’agit-il ? Comment cela fonctionne-t-il et quels en sont les avantages ?

Comment la tomographie fonctionne-t-elle ?

La tomographie assistée par ordinateur (CT) utilise une source de rayons X et l’absorption des matériaux pour créer un modèle du produit en trois dimensions à partir d'une série d'images de projection. Jusque-là, il n’existe pas de différence majeure avec la tomographie médicale, à part le fait que l’échantillon est en mouvement, quand la solution médicale nécessite de déplacer la source de rayons X et le détecteur.

La tomographie de qualité métrologique, apparue il y a une dizaine d’années, se compose d’un tube, d’un détecteur et d’une table pivotante avec un bâti machine de qualité métrologique ainsi que des axes de mouvement. Elle prend des radiographies numériques à 360 degrés autour de l’échantillon. Des méthodes mathématiques, particulièrement intelligentes, reconstruisent cette pile d’images pour créer un objet en 3D qui représente la densité, la géométrie et le matériau de façon extrêmement précise. Ces images, appelées « DICOM », intègrent en outre des informations relatives aux patients.

Par analogie avec des pixels d’images en 2D (pensez à votre appareil photo numérique), ce jeu de données se compose de voxels, comme un Rubik’s Cube géant, réalisé à partir d'au moins un milliard d'éléments. Outre la détermination de la surface de l'objet, cela permet d'identifier, de qualifier et de quantifier des défauts et des caractéristiques comme la porosité, les inclusions, l'orientation et l'emplacement de fibres, la simulation de flux à travers le matériau (phénomènes de transport), et même la simulation mécanique de structure des effets de ces défauts directement sur les voxels.

Cette méthode a l’avantage de pouvoir remplacer un CMM par une nouvelle technologie, puisqu’elle permet de voir non seulement l’extérieur de l’objet, mais aussi ce qu’il y a à l’intérieur, et ce même si vous n'êtes intéressé « que » par la surface et les dimensions.

La tomographie ne souffre pas des problèmes historiques des CMM

La géométrie intérieure, les poches profondes et les contre-dépouilles sont impossibles à atteindre ou difficiles à mesurer avec un CMM. Un autre point fort de la tomographie est la possibilité d'utiliser des matériaux tendres, étant donné que cette technologie n'implique pas de contact avec l'objet.

La tomographie ne souffre pas non plus des problèmes classiques des nouveaux scanners optiques, qu’ils soient basés sur la lumière ou sur le laser : les modèles posant des difficultés en terme de surface (réfléchissante, brillante ou translucide) ne posent plus de souci, tout comme les couleurs situées à l'opposé du spectre lumineux du scanner (les scanners à lumière bleue détestent les objets orange). Dans la mesure où la tomographie utilise l'absorption des matériaux, il est inutile d’utiliser des sprays, des artéfacts d’étalonnage ou de stickers pour bien voir. Certaines fonctionnalités classiques, comme la comparaison 3D et l’épaisseur de paroi fonctionnent en continu, le contrôle dimensionnel et les mesures GD&T, sont aussi simples que n’importe quelle autre technologie.

Le modèle voxel permet de calculer des points de mesure à n’importe quelle position dans l’espace et à tout moment, garantissant en permanence un nombre de points de surface suffisant pour permettre le calcul. Cela représente une grande différence par rapport aux nombre limité de points révélés par les capteurs optiques ou les CMM. Ces points sont une information spatiale discrète, les coordonnées XYZ. Une fois acquis, il n’y a plus moyen de continuer ou de retourner en arrière, tout point intermédiaire utilisé pour la mesure ne peut être qu’une estimation. C’est l’une des raisons pour lesquelles, il est avantageux de réaliser les mesures directement sur les données voxel plutôt que de convertir ces données en un maillage, et d’utiliser une solution de métrologie basée sur cette représentation.

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Tomographie Volume Graphics A3DM

Codes couleurs pour les écarts détectés par la comparaison théorique/réel.

Les résultats d’une tomographie industrielle assistée par ordinateur sont-ils exacts ?

Observons le processus de reconstruction ! Des jeux de données métrologiques typiques se composent de 2 000 x 2 000 images de tranche représentant l’absorption par la pièce, chaque image étant délivrée avec 16 bits d’informations de niveaux de gris, pour un total de 16 gigaoctets de données voxel de mesure. Ces données sont visualisées en 3D, révélant les structures internes. La surface externe n’est cependant pas explicitement décrite dans le jeu de données. Des algorithmes de détermination de surface hautement perfectionnés permettent d’extraire le revêtement extérieur d’un objet. Étant donné que les rayons X perdent de l’énergie à mesure qu’ils passent à travers l’objet, l’échelle de gris de matériaux possédant la même composition aboutit à des valeurs différentes. C’est pourquoi le calcul ISO-50 d’une valeur moyenne d’échelle de gris pour permettre de calculer la surface des matériaux n’est pas suffisant pour la métrologie. Vous aurez toujours besoin d’une détermination de surface locale adaptative pour compenser ce fait naturel, mais elle délivrera une incertitude de mesure pouvant atteindre 1/10e de la taille de voxels.

Quelle est donc la taille d’un voxel ? C’est facile à calculer : si vous avez un détecteur 2k par 2k et que votre pièce mesure 200 mm par 200 mm, votre voxel mesure 0,1 mm³. À l’aide d’étalonnages spécifiques, de tomographie de type métrologique, d’un environnement fiable et de tests minutieux, il a été prouvé qu’une précision à la fraction de micron près était possible dans le cas de matériaux et de tailles d’échantillon adaptés.

Cela nous amène aux conditions générales d’utilisation d’une tomographie. Quels types de pièces et de matériaux peuvent être mesurés et jusqu’à quelle taille ? Toute pièce en plastique ou polymère, en céramique, mais également les moulages et les matériaux légers comme l'aluminium sont idéaux, de même que les matériaux composites. Plus les matériaux se rapprochent du plomb dans le tableau périodique des éléments, plus il est difficile d’obtenir des données satisfaisantes.

Cependant, plus vous avez besoin d’énergie, plus le point focal de la source de rayons X devient large, diminuant la résolution possible de la configuration. Avec une tomographie, vous avez la capacité d’échelonner des pièces en les rapprochant ou en les éloignant du tube. Vous pouvez également combiner des acquisitions, si jamais la pièce ne convient pas à une acquisition unique, mais vous aurez à ce moment-là besoin d’une large CT ou d’une configuration ouverte (NB : actuellement, la plupart du temps, on a recours à une simple configuration sur un plateau ou un scan en hélice).

Les composants à matériaux multiples, en particulier ceux composés d’un métal et d’un autre matériau, sont plus difficiles à scanner, notamment pour des objectifs de métrologie. Les doses à faible énergie nécessaires pour les plastiques ne pénètrent pas le métal, alors que les doses élevées traversent entièrement le plastique, ce qui rend bien plus difficile le contraste nécessaire pour extraire la limite des différents matériaux de l’échantillon. C’est certainement possible, mais pas aussi simple qu’avec des pièces à matériau unique. Une possibilité est d'utiliser l'assemblage automatique d'un fichier CAO. Les approches multiénergétiques et multiconfigurations peuvent également être utiles.

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CAO_Volume_Graphics_tomographie_a3dm

Importation CAO avec informations PMI.

Qui garantit qu'il s’agit bien de métrologie ? 

Il existe plusieurs organismes comme le NIST (National Institute of Standard and Technology) aux États-Unis, le VDI (Verein Deutscher Ingenieure) et le PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) en Allemagne, ainsi que le NPL (National Physical Laboratory) au Royaume-Uni qui sont fortement engagées dans la création de normes pour les déclarations d’incertitude et les méthodes d’étalonnage. Un rapide coup d’œil sur la norme VDI/VDE 2630 montre certains des efforts en cours. 

La meilleure preuve de son utilité est cependant l'implémentation fructueuse de la métrologie par de nombreuses entreprises dans le monde, du département R&D jusqu'à la métrologie en ligne avec tomographie industrielle.

Ma recommandation personnelle est la suivante : prenez une pièce que vous pensez très bien connaître et contactez un prestataire de service CT. Comparez les résultats : vous verrez à quel point les données sont complètes et de qualité. Si cela vous paraît être un lourd investissement, n’oubliez pas qu’une fois les paramètres définis, l’exécution de la CT est parfaitement autonome, et que les plans et modèles de métrologie peuvent être accompagnés d’un fichier CAO doté d’informations PMI. Vous pouvez insérer plus d’une pièce dans la chambre de scannage et le résultat sera un jeu de données complet à 100 %, avec plus d’informations que vous n’en avez jamais eues. Vous n’avez plus besoin d’y passer des heures ; quelques minutes suffisent, en fonction du niveau d’incertitude admis dans le cadre de votre processus. Et en plus de la métrologie, vous pouvez effectuer des analyses de stress structurel incluant les failles, copier des pièces au moyen de la rétro-ingénierie, analyser des fibres, la porosité, le flux matériel, et créer un véritable jumeau numérique de votre produit.

Par Gerd Schwaderer, business development metrology chez Volume Graphics GmbH.

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