Brevet FR2566910A1 — publié le 19860103

Procédé et appareil pour contrôler les variations physi- ques ou chimiques d'un matériau-récepteur ". La présente invention concerne un procédé et un appareil pour contrôler les variations phy- siques ou chimiques d'un matériau-récepteur. Lorsquion fait polymériser des résines thermodurcissables par un procédé commandé par exemple à chaud, il est souvent nécessaire de contrôler le degré de polymérisation des produits de façon à savoir s'il faut continuer ou arrêter le procédé de polymérisation. Si la résine n'est pas polymérisée, le produit obtenu est fragile et ne présente que de fai- bles qualités; si la résine est trop polymérisée, il y a une perte de temps et d'énergie et les propriétés du produit résultant peuvent également être détériorées. Une façon de contrôler le degré de polymérisation consiste à utiliser les techniques diélectriques en contrôlant la constante diélectrique et le coefficient de dissipation de la résine en cours de polymérisation. Toutefois ce procédé nécessite l'introduction d'électrodes métalliques dans la résine ou la mise en contact avec la résine. De même étant donné le mauvais rapport signal/bruit, ce procédé n'est pas idéal pour être appliqué ' des composi- tions graphite/époxydes. Le procédé de polymérisation peut également se contrôler à l'aide d'ondes ultra-sonores. Un émetteur d'ondes ultra-sonores est mis d'un côté du récipient et un récepteur d'ondes ultra-sonores est mis de l'autre côté; on fait passer des ondes ultra-sonores à travers la résine en cours de polymérisation. Bien que cette technique supprime l'introduction d'une électrode dans la résine à cause de la diffusion du faisceau d'ultra-sons, ce procédé n'est pas très sensible aux varia- tions physiques et chimiques qui se produisent pendant la polymérisation d'une résine. Le brevet U.S-A 4 312 228 consiste à créer une onde acoustique de surface en utilisant un élé- ment appliqué en revêtement à la surface de la résine à contrôler. Le brevet U.S-A 4 327 587 utilise les oscillations des ultra-sons pour contrôler la polymérisa- tion. Au moins un transducteur d'ultra-sons est prévu pour générer et recevoir les ondes d'ultra-sons. Le trans- ducteur est couplé de façon acoustique à une ligne de retard d'ultra-sons située dans le monomère qui polymérise. Le brevet U.S-A 3 654 072 contrôle par mesure instantanée la transmission du son en utilisant des transducteurs d'émission et de réception situés en différents endroits du système chimique à contrôler. le brevet U.S-A 4 335 613 décrit le contrôle par guide-d'ondes consistant à placer un guide d'ondes à la surface d'une route pour détecter la forma- tion de glace. Le brevet U.S-A 4 054 255 est un guide d'ondes pour détecter la formation de glace à la surface d'un avion. Ainsi, la présente invention concerne un procédé de contrôle des variations physiques ou chimi- ques d'un matériau-récepteur entre un état liquide et un état solide, ce procédé consistant à noyer un guide d'ondes dans le matériau-récepteur pendant qu'il est à l'état liquide, ce guide d'ondes venant à l'extérieur du matériau- récepteur et à contrôler les ondes sonores du guide d'ondes après que les ondes sonores aient traversé le guide d'ondes dans le matériau. L'invention concerne également un appa- reil qui se compose d'un récipient ayant un moyen de sor- tie à étanchéité au liquide pour un guide d'ondes, un guide d'ondes acoustique traversant ce moyen de sortie à joint pour pénétrer dans le récipient; un liquide soli- difiable étant prévu dans le récipient jusqu'à un niveau au-dessus du moyen de sortie à Joint, un moyen étant prévu à l'extérieur du réservoir pour.envoyer une onde acousti- que à travers le guide d'ondes dans le réservoir et un moyen à l'extérieur du réservoir pour contrôler l'onde acoustique après son passage à travers le guide d'ondes dans le réservoir. On a ainsi constaté que les variations physiques et chimiques telles que la polymérisation qui se produisent lorsqu'un liquide se solidifie peuvent être contrôlées avec une sensibilité extrême en faisant passer une onde sonore à travers un guide d'ondes noyé dans le liquide. Cette technique est tellement sensible que des variations de l'atténuation du son dans le guide d'ondes. de 1 000 à 1 ou même de 10 000 à 1 se produisent au cours de la prise de la résine. De plus dès que le liquide est solidi- fié, le guide d'ondes reste noyé dans le produit solide résultant et toute contrainte appliquée peut se détecter facilement par les variations qui se produisent-dans l'onde sonore traversant le guide d'ondes. De plus, tout contact physique avec le solide ou toute variation de structure (microfissures) dans le produit solide peuvent se détecter facilement en utilisant le guide d'ondes comme dispositif d'écoute. A titre d'exemple, un guide d'onde noyé dans une feuille composée graphite/époxydes de 30 fois cm est tellement sensible que l'on peut facilement détecter le fait que l'on souffle sur la feuille ou que l'on touche la feuille avec une plume. Comme les détec- teurs acoustiques sont fixés à chaque extrémité d'un guide d'ondes acoustique, on peut utiliser la plage des ondes sonores pour localiser un point d'émission acousti- que dans le solide durci. La présente invention sera décrite de façon plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation en se reportant aux dessins annexes, dans lesquels: - la figure 1 est une vue en perspec- tive d'un mode de réalisation d'un appareil selon l'inven- tion. - la figure 2 est une vue en perspec- tive d'un produit stratifié correspondant à un autre mode de réalisation. - les figures 3, 4 et 5 sont des graphiques de différents exemples pratiques. Selon la figure 1, on remplit un réser- voir 1 d'un liquide 2 solidifiable, jusqu'au niveau 3. Le réservoir comporte des joints à liquide 4 et 5 dans ses côtés, joints qui sont traversés par le guide d'ondes 6. A chaque extrémité du guide d'ondes 6, on a fixé un trans- ducteur 7 et 8. Ces transducteurs transforment l'énergie électrique en ondes sonores et en retour des ondes sonores en énergie électrique par les conducteurs 9 et 10 respec- tifs fixés à une installation de contrôle (non représentée). A la figure 2, un produit stratifié 11 qui se compose d'une pile d'éléments pré-imprégnés de résine 12 comporte un guide d'ondes acoustique 13 noyé entre ces éléments et les traversant. Sans souhaité être lié à des théories, on estime la quantité de son transmise par un guide d'ondes est étroitement liée à la différence entre l'impédance acoustique du guide d'ondes et l'impédance acoustique du matériau-récepteur et de la pression exercée par celui- ci, matériau qui entoure le guide d'ondes; l'impédance acoustique du milieu qui entoure le guide d'ondes dépend de la densité du matériaurécepteur multipliée par la vitesse du son dans ce matériau. Ainsi toute variation physique ou chimique qui influence la densité du matériau- récepteur ou la vitesse du son à travers celui-ci modi- fie l'impédance acoustique et change la quantité de son transmise par le guide d'ondes. Comme la densité et la vitesse du son à travers un matériau-récepteur sont in- fluencées par la température, les contraintes et l'impact sur le matériau-récepteur, ces différents paramètres peu- vent être contrôlés à l'aide du guide d'ondes. I1 est même possible de calculer le module de Young à partir de l'information obtenue du guide d'ondes. Le temps de trans- mission de l'onde sonore à travers le guide d'ondes est également influencé par ces facteurs et peut également servir à contrôler les variations qui se produisent dans le matériau-récepteur. Le procédé et l'appareil selon l'in- vention peuvent s'appliquer à n'importe quel matériau récepteur qui subit une variation de propriété chimique en particulier en passant de l'état liquide à l'état solide. Ces matériaux comprennent les métaux, les ma- tières plastiques, le ciment et le béton ainsi que les différents liquides gelés.De façon particulièrement inté- ressante, on a les produits pré-imprégnés qui sont des feuilles constituées d'un support dans lequel on imprégne de la résine et que l'on empile. Les produits pré-impré- gnés sont empilés avec interposition du guide d'ondes. Sous l'effet de la chaleur et de la pression, la résine échelonnée B, se liquéfie et polymérise pour coller toutes les feuilles et former un stratifié. Le guide d'ondes peut être réalisé en n'importe quel matériau dont les caractéristiques ne seront pas annihilées par le matériau-récepteur. Par exem- ple, on peut envisager de l'acier, du saphir, du quartz, de la matière plastique, du verre, du polyester avec fibres de verre et des résines époxydes avec fibres de verre pour former des guide d'ondes. Le polyester à fibres de verre est le matériau choisi de préférence pour le guided'ondes destiné à des matériaux-récepteurs de type plastique, car ce matériau est souple, renforce la struc- ture du plastique et fonctionne très bien. Il est préfé- rable de choisir un matériau de guide-d'ondes qui corres- pond au matériau-récepteur quant au coefficient de dilata- tion thermique pour éviter d'engendrer des contraintes dans le matériaurécepteur. De même, un bon matériau de guide d'ondes renforce le produit résultant et se fixe au matériau-récepteur. De façon préférentielle, le guide d'ondes doit avoir une atténuation inférieure à environ dB par mètre de longueur de façon à conserver sa sen- sibilité. De façon évidente, si le guide d'ondes est trop court, on peut envisager des atténuations plus importantes. Liatténuation dépend du matériau constituant le guide d'ondes ainsi que de sa surface de section et de la fré- quence de l'onde sonore transmise à travers le guide d'ondes. De la même manière, l'atténuation se réduit si le matériau du guide d'ondes et le matériau-récepteur ne sont pas adaptés de façon acoustique. Le guide d'ondes peut être pratiquement de n'importe quelle longueur mais des guide d'ondes de grandes longueurs nécessitent un signal acoustique plus puissant. Bien que les guide d'ondes de section circulaire soient choisis de préféren- ce, on peut utiliser des guide d'ondes de n'importe quelle section. Le guide d'ondes peut être placé à un endroit quelconque dans le matériaurécepteur. Si l'on utilise seulement un guide d'ondes, il doit généralement être placé au milieu du matériau. Si l'on utilise de nombreux guide d'ondes, ceux-ci peuvent être espacés uniformément ou encore être placés dans des parties plus sensibles du matériau-récepteur. On utilise des transducteurs d'ultra- sons pour générer une onde sonore dans le guide d'ondes. De façon générale, on utilise deux transducteurs, un à chaque extrémité; l'un des transducteurs envoie le signal sonore et l'autm reçoit le signal sonore. Les transduc- teurs transforment un signal électrique en un signal sonore et inversement ils transforment un signal sonore de nouveau en un signal électrique. Il est également pos- sible d'utiliser un seul transducteur en faisant réfléchir l'onde sonore à une extrémité du guide d'ondes, si bien que le transducteur-émetteur fonctionne également comme transducteur-récepteur. Lorsqu'une onde sonore s'est réfléchie à l'autre extrémité du guide d'ondes, il peut être souhaitable de choisir un matériau non accordé de façon acoustique à l'extrémité du guide d'ondes pour ren- dre maximale la réflexion de l'onde sonore en retour dans le guide d'ondes. Pour contrôler une plus grande surface dans le matériau-récepteur, une autre configuration possi- ble consiste à courber le guide d'ondes suivant une bou- cle de façon que l'onde sonore parcourt une boucle à par- tir du transducteur pour aller à l'autre transducteur. Il est également possible de transmettre le signal par un guide d'ondes et de le recevoir à travers un autre guide d'ondes après son passage à travers le matériau-récepteur. Toute fréquence de l'onde sonore transmise par le guide d'ondes sera utilisée bien que l'on choisira de préférence des ultra-sons d'une fréquence caractéristique comprise entre O10 et 300 kilohertz puis- qu'ils donnent la plus grande sensibilité. Aux fréquences plus faibles, le signal peut être obscurci par le bruit de fond; aux fréquences supérieures, le signal est trop atténué. On peut également utiliser des filtres acousti- ques pour supprimer les bruits gênants. Le matériau-récepteur peut être durci de différentes manières y compris le rayonnement ultra- violet, les micro-ondes, un faisceau d'électrons, ou d'au- tres radiations, la chaleur et l'addition de catalyseurs ou même l'application d'ultra-sons. Des ultra-sons d'éner- gie élevée pour le durcissement peuvent être envoyés dans des guide d'ondes noyés. La structure résultante se com- pose du matériau-récepteur, dur, dans lequel est noyé le guide d'ondes. Ce produit est très utile pour détecter les variations physiques ou chimiques qui se produisent dans le matériau-récepteur et qui influencent l'atténua- tion ou la vitesse du son à travers le matériau. A titre d'exemple, si le matériau-récepteur est une aile d'avion, le guide d'ondes peut servir à contrôler les contraintes et en utilisant le guide d'ondes en mode d'écoute, on peut contr6ler la vitesse de l'air passant sur l'aile ou l'impact des objets. La localisation de l'impact d'objets contre ce produit peut se déterminer par des différences entre l'instant auquel l'impact est détecté par les détecteurs acoustiques fixés aux extrémités du guide d'ondes. En variante, on peut utiliser plus d'un guide d'ondes pour localiser l'impact en utilisant l'amplitude et le temps de réception du signal. L'invention sera illustrée ci-après à l'aide des exemples suivants: EXEMPLE: On a introduit un guide d'ondes acous- tique époxydes-fibres de verre d'un diamètre de 1/16 mm à travers deux joints d'isolation acoustiques au silicone, à chaque extrémité de deux réservoirs circulaires en chlorure de polyvinyle, chacun de 58 mm de diamètre, à mm au-dessus du fond du réservoir. On a fixer un émet- teur acoustique à 74 kHz à une extrémité du guide d'ondes et un récepteur acoustique à 74 kHz à l'autre extrémité du guide d'ondes, les deux à l'extérieur du réservoir. On a mis une résine époxyde bisphénol A vendue par Hysol sous la marque "Epoxi-Patch" dans un récipient sur une hauteur d'environ 30 mm et on a versé un gel dans un réservoir analogue sur une hauteur analogue, les deux environ 6 mm au-dessus du guide d'ondes. Le gel était com- posé de 100 parties en poids de diglycidyl éther de bis- phénol A, liquide, vendu par Shell Co, sous la dénomina- tion "Epon 815", 20 parties en poids d'un amine durcis- seur vendu par Texaco sous la dénomination "3effamine t-403", et 10 parties en poids d'un accélérateur vendu par Dupont sous la dénomination "Pacm-20". On a mélangé le gel à 80 C sous vide et on l'a fait polymériser après son versement dans le réservoir. Le guide d'ondes pour l'époxyde avait une longueur de 240 mm et le guide d'ondes pour le gel avait une longueur de 340 mm. On a transmis à travers les guide d'ondes des trains d'impulsions d'ondes acoustiques et les signaux reçus ont été contrôlés pendant que les résines ont été versées dans les réser- voirs et au cours du procédé de polymérisation. Comme les résines se sont rétractées autour du guide d'ondes pen- dant l'opération de polymérisation, les signaux transmis à travers les guide d'ondes étaient atténués d'environ deux ordres de grandeur d'amplitude. De plus, il y a eu des changements de temps de transmission des ondes acous- tiques. A la figure 3, on a mis les résultats sur un graphique représentant la valeur maximale du signal acoustique à 74 kHz en millivolts en fonction du temps après le versement de la résine dans les conteneurs. Le graphique montre que pour la résine époxyde, le signal transmis par le guide d'ondes s'est atténué d'environ à 1 pour atteindre une atténuation maximale après 44 minutes que l'on estime, coincider avec la fin de l'opération de polymérisation. L'augmentation du niveau du signal qui s'est produite ultérieurement est supposée 1.0 due au retour de la résine aux températures ambiantes, ce qui est une nouvelle démonstration de la sensibilité du système. Le gel qui a durci plus lentement a entrainé une atténuation globale du signal d'environ 100 à 1, mais l'atténuation maximale n'a été obtenue qu'après en- viron 350 minutes. La figure 4 est une graphique donnant en millivolts la différence entre le signal acoustique initial et le signal à l'instant donné sur l'axe horizon- tal. La courbe A correspond à la résine époxyde et la courbe B au gel. La courbe A correspond à l'équation Vo-V = 2,1s t1'03; la courbe B correspond à l'équation VO-V = 0,66 t0'88. Le point X correspond à la fin de la polymérisation de la résine époxyde et le point Y à la fin de la polymérisation du gel. Les lignes droites correspondant aux données indiquent que les opérations de polymérisation et de gélification correspondent à des réactions chimiques du premier ordre et que l'atténuation de l'onde acoustique correspond à la polymérisation de la résine. Pour ces équations, il est possible de prévoir par avance au cours du procédé de durcissement le temps approximatif nécessaire pour terminer le procédé. EXEMPLE 2: On a empilé 36 éléments pré-imprégnés de 15 cm par 15 cm de fibres de graphite de 9 microns imprégnées de résine époxyde diffusée par Hercules sous la marque "3501-6/AS"; ces éléments ont été empilés dans des directions alternatives sauf pour les deux éléments pré-imprégnés du milieu qui ont été disposés parallèle- ment. On a placé un guide d'ondes acoustique polyester- fibres de verre de 90 cm de long et de 1,56 mm d'épais- seur entre les deux éléments pré-imprégnés, du milieu, parallèlement aux fibres. Les extrémités-du guide d'ondes ont été collées à deux transducteurs d'ultra-sons à 70 kHz. L1 Les transducteurs ont été reliés électriquement à des pré- amplificateurs et à des filtres, puis à un oscilloscope. On a réalisé un produit stratifié en- pressant la pile d'éléments pré-imprégnés sous une pres- sion de 4 bars tout en chauffant pour faire polymériser la résine. La figure 5 donne la température de la pile en fonction du temps. Selon la figure 5, on a représenté le signal acoustique maximum reçu pour 71 kHz au cours de la polymérisation. Un signal d'environ 3000 microvolts a été envoyé dans le guide d'ondes par l'un des transduc- teurs pendant la polymérisation. A la base de la figure 5, on a les résultats de la mesure diélectrique automatique pour une fréquence de 1 kHz et une fréquence de 100 Hz, pour con- tr8ler la prise d'une pile identique d'éléments pré-impré- gnés pendant la même période de temps. Les résultats donnés à la figure 5 montrent que le procédé selon l'invention est de multiples fois plus sensible que la mesure diélectrique automatique qui est le procédé utilisé actuellement pour contriôler une polymérisation. EXEMPLE 3: On a repris l'exemple 2 en utilisant des matériaux et des procédés identiques sauf que les éléments pré-imprégnés étaient des éléments de 22 fois 22 cm et que le guide d'ondes était en époxyde-fibres de verre. La sensibilité du guide d'ondes a été essayée en laissant tomber séparément des grains de sel sur le guide d'ondes d'une hauteur de 25 cm. L'impact de chaque grain de sel a donné un signal acoustique d'environ 1000 micro- volts dans le guide d'ondes permettant de détecter faci- lement chaque impact. Même un très léger toucher du pro- duit stratifié avec une plume a engendré un signal percep- tible dans le guide d'ondes. REVENDICATI 0 N S 1 ) Procédé pour contrôler les varia- tions physiques ou chimiques d'un matériau-récepteur en- tre un état liquide et un état solide, procédé caractérisé en ce qu'on noie un guide d'ondes dans le matériau-récep- teur à l'état liquide, ce guide d'ondes sortant du maté- riau-récepteur et on contrôle les ondes sonores du guide d'ondes après que les ondes aient passé à travers le guide d'ondes dans ce matériau. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'onde sonore est transmise à tra- vers le guide d'ondes entre la première et la seconde opération ci-dessus. 3 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le matériau récepteur est une matière plastique thermodurcissable. 4 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le guide d'ondes comporte des fibres de verre. 5 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le son a une fréquence comprise entre 10 et 300 kHz. 6 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau- récepteur est une aile d'avion. ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la contrainte est contrôlée dans le matériau-récepteur après sa solidifi- cation. 8 ) Procédé de contr&le de la polymé- risation d'une résine thermodurcissable sous forme liquide, procédé caractérisé en ce qu'on met un guide d'ondes dans la résine en laissant le guide d'ondes sortir de la résine et on fait polymériser cette résine tout en contrôlant les ondes acoustiques envoyées à travers le guide d'ondes. 9 ) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la résine thermodurcissable est une résine d'échelon B sous forme d'éléments préimprégnés, le guide d'ondes est placé entre deux éléments pré-impré- gnés et la résine des éléments pré-imprégnés se liquéfie pendant la préparation du produit stratifié. ) Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, appareil caractérisé en ce qu'il se compose d'un réci- pient (1) ayant des moyens de sortie à joints d'étanchéité (4, 5) pour un guide d'ondes acoustique (6) traversant les moyens de sortie d'étanchéité (4, 5) du réservoir (1), ce réservoir contenant un liquide (2) solidifiable, jusqu'à un niveau au-dessus des moyens de sortie d'étanchéité (4, 5), des moyens (7, 8) extérieurs au réservoir pour envoyer une onde acoustique à travers le guide d'ondes (6) dans le réservoir (1) et des moyens (7, 8) à l'exté- rieur du réservoir (1) pour contrôler l'onde acoustique après son passage à travers le guide d'ondes (6) dans le réservoir (1). ) Produit pour un appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce que le liquide soli- difiable est une résine de niveau B sur un élément pré- imprégné et qui est liquéfiée sous température et pression. 12 ) Produit stratifié obtenu par la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 9 ou de l'appareil selon l'une quelconque des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que le produit stratifié se compose d'un support imprégné de résine et contenant un guide d'ondes acoustique qui sort de ce produit.