Brevet FR2666895A1 — publié le 19920320

Procédé pour La mémorisation et La détection des chocs subis par une pièce et dispositif pour La mise en oeuvre de ce procédé. La présente invention a pour objet un procédé pour la mémorisation et la détection des chocs subis par une pièce telle qu'une pièce en matériau composite. De façon plus précise, elLe concerne un procédé permettant de visualiser tous les chocs qu'une pièce peut avoir subis Lors de manutentions dans Les différents stades de fabrication de montage, de convoyage, de fonctionnement ou d'essais. Elle s'applique à des pièces réalisées en divers matériaux tels que les métaux, les alliages Légers, le carbone et les matériaux composites, ayant des formes très diverses, par exemple cylindriques, coniques, planes, convexes ou concaves, et comportant éventuellement des revêtements de protection, par exemple en nickel, en chrome, en peinture époxy, en peinture polyuréthane ou autres. Ces pièces peuvent aussi avoir été soumises à divers traitements de surface à condition qu'il ne s'agisse pas d'une pulvérisation d'huile. L'invention s'applique toutefois de prefe- rence aux pièces en matériau composite, notamment à base de fibres de carbone, car ces matériaux, bien qu'ils soient très résistants, sont sensibles aux chocs, lesquels détériorent plus ou moins leur structure interne en provoquant des microcassures, des criques et/ou une délamination. Ceci est d'autant plus gênant que l'utilisation de pièces en matériau composite est de plus en plus répandue dans divers domaines, notamment dans L'aéronautique, et que, par ailleurs, Le lieu de fabrication des pièces est généralement éloigné de leur Lieu de montage, ce qui oblige à de nombreuses manutentions et entraî- ne des risques plus grands de dommages des pièces transportées. Malheureusement, Les chocs éventuels subis par les pièces sont difficiles à détecter car ils ne laissent généralement apparaître aucune trace sur leur surface qui est relativement élastique. Aussi, la pratique actuelle pour vérifier qu'une pièce de ce type, avant son montage définitif, par exemple sur un avion, ne comporte pas de défaut, consiste à examiner toute la surface de la pièce au moyen d'un palpeur et à observer sur un oscillographe le relevé de l'écho de résonance pré-étalonné sur une écheLLe de lecture pour voir s'il se situe au deLà de La valeur de reférence. Dans ce cas, on effectue aLors une mesure plus approfondie pour mettre en évidence Le signal de l'écho de référence et celui de la destruction réelle du matériau endommagé. Etant donné Les dimensions et la complexité des pièces à tester, ces vérifications et ces examens sont longs et coûteux à réaliser. La présente invention a précisément pour objet un procédé pour La mémorisation et la détection des chocs subis par une pièce de ce type qui permet de réduire de façon importante le coût et le temps nécessaires pour détecter les pièces endommagées par les chocs auxquels eLles ont été éventuellement soumises. Selon l'invention, le procédé pour la mémorisation et la détection des chocs subis par une pièce, comprend les étapes consistant a) à revêtir au moins une partie de la surface de la pièce avant que celle-ci ne subisse un choc, d'un film transparent comportant au moins une substance photoélastique capable de mémoriser les chocs auxquels sera éventueLlement soumise La pièce, et b) à détecter ensuite la trace de ces chocs sur le film par visualisation en lumière polarisée. Selon L'invention, on modifie donc préalablement la surface de la pièce par un revêtement pour qu'elle puisse ensuite enregistrer les chocs qu'elle subira éventuellement, et faciliter ainsi leur détection par visualisation des défauts mémorisés dans le revêtement. Dans le procédé de L'invention, le choix d'un film comportant une substance photoélastique permet de traduire L'effet mécanique d'un choc par une déformation permanente de la surface du fiLm, soit une variation très faible d'épaisseur, qui peut être visualisée ensuite facilement car sous L'action du choc ou de la déformation, La substance photoélastique devient biréfringente. En effet, une substance photoélastique est une substance transparente, optiquement isotrope, qui devient biréfringente lorsqu'elle est soumise à des contraintes mécaniques. Ainsi, dans Le procédé de l'invention, les chocs d'énergie suffisante ou réalisés par des objets à bords saillants sur La pièce revêtue du film de substance photoélastique provoquent une déformation permanente du film. Cette déformation et les contraintes internes qui en resultent, créent une anisotropie du film qui se comporte alors comme un cristal birefringent possédant deux indices de réfraction différents, les axes de biréfringence étant les directions principales des déformations ou des contraintes. Cette propriété permet de visualiser facilement ensuite ces deformations. On connaît par le document EP-A- 2 499 718 un dispositif de visualisation de défauts de surface tels que des rayures, opérant par analyse de la diffraction lumineuse engendrée par ces defauts, qui utilise un moyen photosensible transparent dans lequel on forme une image de la surface que l'on analyse ensuite avec de la lumière polarisée. Selon l'invention, on utilise un procédé et un dispositif beaucoup plus simples pour visuali ser les défauts de surface (déformations ou faibles variations d'épaisseur du film) en observant directement une lumière polarisée réfléchie par le film. Aussi, selon un mode de réalisation préféré de L'invention, le film comprend, de plus, un matériau réfléchissant la lumière de façon à permettre la réflexion d'une lumière polarisée ayant traverse le film, et à faciliter ainsi la visualisation de ces déformations. En effet, Lorsque de la lumière polarisée traverse le fiLm transparent, puis est réfléchie par le matériau réfléchissant la lumière, elle ne se propage pas à la même vitesse dans les zones de déformation selon la position de l'axe de polarisation par rapport aux axes de biréfringence. Il en résulte un retard optique exprimé en longueur entre les deux composantes de la lumière réfléchie. 8 est proportionnel à l'épaisseur de matière traversée et à la différence des contraintes principales a1 et a2, conformément à la relation de Maxwell : S= C.2e(a1-u2) dans laquelle C est une caractéristique de la substance photoélastique utilisée, et e est L'épaisseur du film. La localisation des zones de choc pourra ainsi être mise en evidence à travers un système optique approprié, du type polariseur-analyseur, par l'apparition de franges noires ou colorees suivant la valeur du retard optique et la position des axes de polarisation par rapport aux axes de birefringence. Aussi, L'invention a egalement pour objet un dispositif de detection de l'impact des chocs subis par une pièce revêtue d'un film comportant au moins une substance photoélastique et un matériau réfLéchissant la lumière, caractérisé en ce qu'il comprend - des moyens pour balayer la surface du film avec un faisceau de lumière polarisée, et - des moyens pour analyser le faisceau lumineux qui est réfléchi par le matériau réfléchis- sant la lumière du film après avoir traversé La substance photoélastique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit, se référant au dessin annexé sur lequel : - les figures 1 à 3 représentent schemati- quement différents modes de realisation du film utilisé dans le procédé de L'invention, - la figure 4 représente schématiquement une installation permettant de visualiser les chocs mémorisés par le film sous la forme de déformations, et - la figure 5 représente schématiquement la visualisation d'un défaut imprimé dans le film de l'invention par un choc. Dans le film transparent qui constitue conformément à l'invention, le revêtement d'au moins une partie de la surface de la pièce, on peut associer la substance photoélastique et le matériau réfléchissant la lumière de différentes façons. Sur les figures 1 à 3, on a decrit differents modes de réalisation de ce film disposé sur la surface d'une pièce (1). Ainsi, selon un premier mode de réalisation représenté sur la figure 1, le film (2) comprend deux couches superposées qui sont constituées respectivement par une première couche (3) de matériau réfLéchissant la lumière en contact avec la surface de la pièce (1) et une deuxième couche (5) de substance photoélastique. Cette deuxième couche (5) de substance photoélastique peut être liée à la première couche (3) du film par de la colle (7). Pour revêtir la pièce avec un tel film, on peut tout d'abord déposer sur la pièce la première couche (3) de matériau réfléchissant La lumière, puis appliquer sur cette première couche un ruban autoadhésif (10) constitué par la deuxième couche de substance photoélastique (5) et une couche externe de colle (7). On peut aussi réaliser le revêtement en utilisant comme représente sur la figure 2 un seul ruban autoadhésif (2) constitué par le film comprenant la couche externe de colle (7), que l'on applique directement sur la pièce. Selon un second mode de réalisation du film, représenté sur la figure (3), celui-ci comprend trois couches superposées constituées successivement par une première couche de substance photoélastique (5) en contact avec la surface de la pièce, une deuxième couche de matériau réfléchissant la lumière (3) et une troisième couche de substance photoélastique (5). Comme précédemment, les première et troisième couches de substance photoélastique peuvent être liées respectivement à la surface de la pièce (1) et à la deuxième couche (3) par de la colle (7). Ce film (2) peut être obtenu à partir de deux rubans autoadhésifs (30) et (31), le premier ruban autoadhésif (31) comportant une couche externe de colle (7), la première couche de substance photoélastique (5) et la deuxième couche de matériau réfléchissant la lumière (3) et le second ruban autoadhésif (30) comprenant la troisième couche de substance photoélastique (5) et une couche externe de colle 7. Les films correspondant aux modes de réalisation décrits ci-dessus ont généralement une faible épaisseur qui peut se situer dans la gamme d'épaisseurs allant de 0,1 à 0,90mm, par exemple une épaisseur allant de 0,15 à 0,60mm. Selon L'invention, on peut utiliser n'importe quelle substance photoélastique à condition bien entendu qu'elle devienne biréfringente à partir du seuil d'énergie correspondant au choc minimal à détecter et qu'elle ne soit pas détériorée dans les conditions d'utilisation de la pièce avant visualisation des défauts éventuels. A titre d'exemple, on peut utiliser une résine synthétique, par exemple un polyurethane élastomère thermoplastique résistant à l'abrasion comme les produits commercialisés sous la forme de rubans autoadhésifs par Minnesota Minning and Manufacturing Cy . sous les références nO 8560, 8561, 8671 et 8672. Le matériau réfléchissant la lumière peut être constitué par tout matériau susceptible d'être appliqué en couche mince sur les pièces à contrôler, par exemple par une peinture métallisée telle qu'une peinture à base de poudre d'aluminium. Selon l'invention, la colle (7) utilisée pour solidariser le film ou la couche de substance photoélastique avec Le substrat ou avec la couche de matériau réfléchissant la lumière peut être de différents types. A titre d'exemple, on peut utiliser une colle à base de caoutchouc ou de résine acrylique. Dans Les premier et second modes de réalisation du film, l'utilisation d'un ou de deux rubans autoadhésifs est particulièrement intéressante car le film ainsi constitué est transportable et facile à utiliser et à mettre en place sur une pièce puisqu'il peut être enroulé sur un support approprié en interposant par exemple un papier de protection sur la surface autoadhésive qui reste ainsi protégée jusqu'au moment où on applique le ruban sur la pièce. Dans le cas du second mode de réalisation du film, lorsqu'on utilise comme matériau réfléchis- sant la lumière une peinture métallisée, on peut peindre directement un premier ruban autoadhésif comportant une couche de substance photoélastique sur sa face non adhésive puis coller sur la peinture ainsi déposée un second ruban autoadhésif du même type que le premier. Selon l'invention, le film peut être destiné à rester provisoirement ou définitivement sur la surface de la pièce. Il peut de plus être recouvert d'une peinture ; par exemple après assemblage de la pièce avec d'autres éléments pour réaliser les parties d'un avion, on peut le recouvrir de la peinture définitive de l'avion. Pour vérifier les chocs éventuels, on peut dans ce cas éliminer la peinture définitive, par exemple par décapage, puis examiner les défauts éventuels du film. Si celui-ci comporte des défauts, on l'élimine après examen, puis on applique un nouveau film sur la pièce en vue de vérifications ultérieures et on recouvre le nouveau film d'une couche de peinture si nécessaire. On peut aussi bien entendu retirer le film après contrôle des pièces, lorsque l'on ne désire pas faire de vérifications ultérieures après montage définitif de la pièce. Selon L'invention les chocs auxquels a été soumise la pièce, et qui ont imprimé une déformation permanente sur la surface du film peuvent être ensuite détectés en balayant la surface du film par un faisceau de lumière polarisée et en analysant la lumière polarisée qui est réfléchie par le matériau réfléchissant la lumière, après avoir traversé la substance photoélastique. Cette technique permet de visualiser les défauts qui apparaissent alors sous la forme de franges noires ou colorées, soit directement à l'oeil nu, soit par un système vidéo. Sur la figure 4, on a représenté de façon schématique un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention avec visualisation par un système vidéo. Sur cette figure, on voit que la pièce (1) munie du film de revêtement (2) qui a été soumise éventuellement à des chocs, est examinée au moyen d'un faisceau lumineux émis par une source de lumière polarisee (51) qui peut être constituée par une source lumineuse (51a) associée à un polariseur (51b). Après avoir été réfléchie par la couche réfLéchissante du film (2), la lumière est dirigée sur une caméra (53) par L'intermédiaire d'un analyseur (55) tel qu'un polariseur. L'image de la surface de la pièce enregistrée par la caméra (53) est visualisée sur un écran (57) qui peut être relié à la caméra soit par un câble (59), soit par d'autres systèmes, par exemple un système infrarouge. Cet ecran (57) peut être réalise en matériau plastique polarisé, teinte ou neutre, et fixé sur un cadre en matière plastique par collage. Sur la figure 5, on a représenté de façon schématique un dispositif simple qui permet de vérifier par observation à l'oeil nu que le film utilisé dans l'invention permet de mémoriser les chocs et de les visualiser. Pour cette vérification, on utilise une source lumineuse (61) associé à un polariseur (63) qui permet d'éclairer le fiLm (65) par un faisceau de lumière polarisée et l'on observe à travers un autre polariseur (67) le rayonnement réfléchi par le film. Dans un premier stade, on vérifie que la diminution d'épaisseur du film à la suite d'une traction sur les deux extrémités de celui-ci conduit à l'apparition de franges colorees lorsqu'on examine la partie du film qui a une épaisseur plus faible. Dans ce but, on observe le film avant de lui appliquer une traction sur ses deux extrémités et l'on constate qu'il n'y a aucune frange. On soumet ensuite les deux extrémités du film à une traction dans le sens des flèches F pour L'étirer et former ainsi une zone (65a) d'épaisseur réduite. On éclaire alors la partie (65a) avec de la lumière polarisée et I'on observe à travers le filtre(67) l'apparition de franges colorées dans cette zone (65a). Lorsqu'on relâche l'effort de traction, on constate la disparition des franges. On vérifie ainsi que la diminution d'épaisseur du film conduit à l'apparition de franges colorées. On effectue une expérience similaire pour mettre en évidence la trace de chocs sur un film conforme à l'invention applique sur une pièce. Cette pièce est constituée par un panneau en matériau composite à base de carbone revêtu d'une peinture métallisée constituant la couche de matériau réflé- chissant la lumière sur laquelle on a déposé ensuite un ruban autoadhésif tel que le ruban (10) de la figure (1) constitué par le produit 3M 8560. On soumet l'ensemble ainsi préparé à un choc d'énergie égal à 5J, puis on éclaire la surface de la pièce avec de la lumière normale en regardant celle-ci, soit à travers le polariseur (67), soit directement sans polariseur. On n'observe dans ce cas, aucune trace visuelle remarquable. On interpose alors entre la source lumineuse (61) et le film (65) un polariseur (63), puis on regarde sans le polariseur (67). On n'observe pas davantage de trace. En revanche, si l'on interpose le polariseur (67), on constate l'apparition de traces foncées immédiatement localisables. On vérifie alors que les traces du choc se trouvent uniquement sur la couche de substance photoélastique. Dans ce but, on décolle délicatement le ruban autoadhésif du panneau en carbone revêtu de la peinture métaLlisée, puis on éclaire la peinture avec de la lumière polarisée ; on n'observe alors aucune trace à travers le polariseur (67). En revanche, si l'on éclaire le ruban autoadhésif décolle du support avec de la lumière polarisée et que l'on observe celui-ci au travers du polariseur (67), on constate l'apparition de traces foncées immédiatement localisables, ce qui démontre bien que les chocs qui n'ont laissé aucune trace sur le panneau en carbone revêtu de peinture, ont été mémorisées par la couche de substance photoe- lastique. On decrit maintenant plus en détail un exemple de mise en oeuvre du procédé de l'invention sur une pièce en matériau composite à base de carbone constituée par un panneau destiné à l'aviation. On nettoie tout d'abord la surface du panneau en carbone, puis on dépose sur celui-ci une couche de peinture gris perle métallisée à base de poudre d'aluminium au moyen d'un pistolet de projection. On laisse polymériser la peinture pendant 12h, puis on met en place sur toute la surface du panneau une couche de substance photoélastique en utilisant le ruban adhésif à base de polyu réthane 3M nO 8560 qui comprend une couche externe de colle et une couche de substance photoélastique. Pour faciliter la pose de cette couche sur toute la surface du panneau, on dépose les bandes dans Le sens de la plus grande longueur sous la forme de bandes jointives, non superposées, en utilisant un dispositif classique d'application de rubans adhésifs Après cette opération, le panneau de carbone muni du film de peinture et de substance photoélastique est soumis aux opérations de transport et de manutention habituelles au cours desquelles il pourra recevoir des chocs. Après ces opérations de manutention, on vérifie l'état du panneau en utilisant l'installa- tion représentée sur la figure 4. On installe alors le panneau (1) muni du film (2) à environ 2m de La source de lumière polarisée (51) et on éclaire celui-ci de façon que L'angle de la source par rapport au plan éclairé soit de 15 à 800. On couple la source lumineuse sur la caméra (53) de façon que Le faisceau d'éclairage de grande surface suive approximativement la zone de vision de la caméra et on installe sur celle-ci le polariseur (55) et on établit la liaison entre la caméra (53) et L'écran de contrôle (57). On commence alors l'enregistrement de L'état de surface du panneau (1) en suivant celui-ci sur l'écran de contrôle (57) et on balaie toute la surface du panneau en continu dans le sens de la longueur. Lorsque l'on constate sur L'écran de contrôle l'apparition de franges colorées ou noires, on arrête le balayage de la surface par la caméra pour cibler instantanément le point litigieux qui pourra être situé précisément sur la bande vidéo enregistrée. Pour ces opérations, on peut etablir une liaison lumineuse ou phonique entre le cadreur et le vérificateur sur écran. Le procédé de l'invention est facile à mettre en oeuvre car la vérification peut être effectuée au moyen d'appareils classiques ne necessi- tant pas de personnel spéciaLisé pour repérer sur l'écran l'impact des chocs auxquels a éte soumise la pièce. Bien que dans cet exemple on ait décrit l'emploi d'une caméra et d'un écran, on pourrait effectuer le même contrôle en utilisant uniquement des lunettes polarisées pour observer l'apparition de franges colorées correspondant à l'impact des chocs sur la pièce. Par ailleurs, bien que cet exemple se rapporte à une pièce plane, il convient de noter que le procédé de l'invention peut s'appliquer à des pièces de n'importe quelle forme et quel volume, par exemple une pale d'hélice en torsion, un tronçon en fatigue, une charpente métallique, un mât de catamaran, et d'autres pièces pour fusées, satellites, automobiles et autres. REVENDICATIONS. 1. Procédé pour la mémorisation et la détection des chocs subis par une pièce, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant : a) à revêtir au moins une partie de la surface de la pièce, avant que celle-ci ne subisse un choc, d'un film transparent comportant au moins une substance photoélastique capable de mémoriser les chocs auxquels sera éventuellement soumise la pièce, et b) à détecter ensuite la trace de ces chocs sur le film par visualisation en lumière polarisée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le film comprend en outre un matériau réfléchissant la lumière. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le film comprend deux couches superposées constituées respectivement par une première couche de matériau réfléchissant la lumière en contact avec la surface de La pièce et une deuxième couche de substance photoélastique. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérise en ce que La deuxième couche est liée à la première couche par de la colle. 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on réalise le revêtement en appliquant sur la pièce un ruban autoadhésif constitué par le film associé à une couche externe de colle. 6. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on réalise le revêtement en déposant tout d'abord sur la pièce la première couche de matériau réflechissant la lumière et en appLiquant ensuite sur cette première couche un ruban autoadhésif constitué par la deuxième couche et une couche externe de colle. 7. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le film comprend trois couches superposées constituées successivement par une première couche de substance photoélastique en contact avec la surface de la pièce, une deuxième couche de matériau réfléchissant la lumière et une troisième couche de substance photoélastique. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la première couche de substance photoélastique est liée à la surface de La pièce par une colle et la troisième couche de substance photoélastique est liée à la deuxième couche de matériau réfléchissant La lumière par une colle. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'on réalise le revêtement en déposant sur la pièce un premier ruban autoadhésif comprenant une couche externe de colle, la première couche de substance photoélastique et la deuxième couche de matériau réfléchissant la lumière, et un second ruban autoadhésif comprenant la troisième couche de substance photoélastique et une couche externe de colle. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la substance photoélastique est un polyuréthane élastomère thermoplastique. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 10, caractérisé en ce que le matériau réfléchissant la lumière est une peinture métalLisée. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 11, caractérisé en ce que l'on détecte l'impact des chocs sur la surface du film en balayant la surface du film par un faisceau de lumière polarisée et en analysant la lumière polarisée qui est réfléchie par le matériau réfléchissant La lumière, après avoir traversé la substance photoelastique. 13. Dispositif de détection de l'impact des chocs subis par une pièce revêtue d'un film comportant au moins une substance photoélastique et un matériau réfléchissant la lumière, caractérisé en ce qu'il comprend : - des moyens pour balayer la surface du film avec un faisceau de lumière polarisée, et - des moyens pour analyser le faisceau lumineux qui est réfléchi par le matériau réfléchis- sant la lumière du film après avoir traversé la substance photoélastique.