Brevet FR2699681A1 — publié le 19940624

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LA MESURE NON DESTRUCTIVE ET EN TEMPS REEL DES PROPRIETES MECANIQUES D'UN MATERIAU EN FEUILLE. L'invention concerne un procédé et un dispositif pour la mesure en temps réel de caractéristiques mécaniques d'un matériau en feuille ou film, ainsi que l'application de ce procédé et ce dispositif en tant que moyen de contrôle dans une ligne de fabrication du matériau en feuille, en parti- culier en tant que moyen de contrôle pouvant le cas échéant influencer la conduite d'une machine à papier. La détermination de caractéristiques mécaniques en temps réel est difficile à conduire en cours de production, notamment sur une machine à papier Les méthodes de suivi et de contrôle connues offrent des temps de réponse de plusieurs dizaines de minutes et ne permettent pas de réa- liser un asservissement optimum de la chaine de production. En cas de défauts de qualité, toute la production corres- pondant à ce temps de réponse est perdue et en outre la non prévision de ces défauts entraîne une immobilisation de la chaine de production. Des contrôles réalisés in situ et en temps réels ont déjà été proposés. On connait ainsi des procédés ou méthodes mettant en oeuvre des techniques de mesures ultrasonores Mais ces techniques se heurtent au problème de la nature hétérogène du matériau notamment du papier et ne permettent géné- ralement d'atteindre que les propriétés d'élasticité de ces matériaux. On connait encore l'utilisation de capteurs spécia- lisés qui procèdent par acquisition simultanée de déplace- ments dans le cas de capteur de proximité et/ou d'efforts sur une fraction du matériau dans le cas de capteurs de contact annulaires par exemple. Ces procédés ou méthodes lorsqu'ils sont appliqués au papier et dont l'avantage est de pouvoir délivrer des in- formations en temps réel ne procèdent pourtant que par correlation des grandeurs mesurées aux caractéristiques attendues. On a encore proposé des méthodes optiques Ces mé- thodes non destructives offrent l'avantage d'avoir un mi- nimum d'interaction avec la structure et d'éviter ainsi toute perturbation locale De plus, dans la plupart des cas, il est possible de mesurer aussi bien la totalité du champ de déplacement que de pratiquer des mesures locales sur une base de petites dimensions Elles permettent éga- lement les mesures dans les zones à gradient de déformation élevé, à fortes concentrations de contraintes ou dans les régions de propagation de fissures Ces méthodes optiques sont utilisées aussi bien pour valider des résultats de calcul que pour observer des phénomènes de plasticité ou d'endommagement ou pour déterminer des lois de comportement de matériaux. Ainsi, la méthode d'interférométrie holographique ba- sée sur l'enregistrement des interférences produites par deux sources lumineuses issues du même objet avant et après déformation donne des franges d'interférences qui per- mettent d'accéder aux déplacements Cette méthode possède une très bonne précision mais souffre d'un certain nombre de problèmes tels que la sensibilité aux vibrations, la mauvaise visibilité des franges ou une exploitation diffi- cile. Dans la méthode de granularité laser, le champ de granularité est obtenu en éclairant une surface rugueuse par un faisceau laser C'est une figure formée de grains lumineux très contrastés et de forme quelconque Tout mou- vement de la surface provoque une modification du champ de granularité La superposition de champs de granularité permet d'obtenir des franges d'interférences et par la suite le champ de déplacement. Cette technique de mesure locale simple d'emploi et de bonne précision a toutefois l'inconvénient de ne pas par- ticulariser les deux états et elle n'est pas adaptée à l'étude des grandes déformations. Le phénomène du moiré est à l'origine d'un procédé d'extensométrie de caractère purement géométrique qui con- siste à superposer deux réseaux de traits voisins Il en résulte des franges d'égal déplacement La comparaison d'un réseau déformé et d'un réseau non déformé permet de mesurer les déplacements dans le plan d'une pièce plane Il est donc nécessaire de coller ou d'imprimer un réseau de traits sur la surface de l'objet, ce qui peut perturber les pro- priétés du matériau. Le moiré interférométrique est une technique basée sur le même principe mais utilisant un réseau d'interférences comme réseau témoin Elle possède une bonne résolution mais sa mise en oeuvre est plus délicate. La technique de la stéréophotogramétrie est fondée sur l'enregistrement photographique de plusieurs aspects d'un objet Un stéréocomparateur permet d'exploiter les par- allaxes de déformations obtenu, c'est à dire le relief spatial ou temporel provoqué par la différence de prises de vue. Cette méthode est utilisable pour toute sorte de dé- formations, mais elle est limitée par une exploitation lourde et un prix très élevé du comparateur. Des techniques, dites méthodes des grilles, basées sur l'enregistrement direct de points ou de traits marqués sur la surface de l'éprouvette sont apparues depuis le déve- loppement de logiciels de traitement d'images. On a ainsi par exemple proposé une méthode dont le traitement est effectué à l'aide de transformée de Fourier mais qui nécessite le stockage intermédiaire des images et un traitement ultérieur assez long. Toutes les méthodes énumérées ci-dessus sont partiel- lement non destructives et offrent l'avantage d'avoir un minimum d'interaction avec la structure afin d'éviter ainsi toute perturbation locale De plus, elles permettent de pratiquer aussi bien des mesures sur l'ensemble de l'échantillon que des mesures locales. Mais si elles sont séduisantes, elles présentent néanmoins un inconvénient majeur, celui d'être technique- ment lourdes à mettre en oeuvre, avec des temps de traite- ments importants, ce qui finalement les rendent souvent peu compatibles avec une utilisation industrielle. L'invention obvie aux inconvénients cités. L'invention propose un procédé pour mesurer les pro- priétés mécaniques telles que les propriétés d'élasticité et de résistance à la rupture d'un matériau en feuille, notamment d'une feuille de papier comprenant les opérations suivantes: on place des repères dans des positions déterminées les uns par rapport aux autres sur au moins une des deux sur- faces du matériau en feuille et/ou dans le matériau en feuille, on induit un changement d'état mécanique du matériau, on saisit par images les variations de la position des repères, on traite les images des positions des repères à l'aide d'un logiciel de traitement d'images sélectionnant les images à traiter et à partir des images traitées, on détermine, avantageusement en temps réel, les caractéris- tiques mécaniques du matériau, à l'aide d'un logiciel de calcul de déformations qui sont liées aux caractéristiques mécaniques du matériau. Les repères peuvent être constitués par tout élément repérable par un capteur adapté Ce peuvent être des points réels tels des points d'encre qui avantageusement sont en encres spéciales pour pouvoir disparaître après avoir été repérés Ils peuvent être aussi constitués de figures géo- métriques. Lorsque les repères sont limités à des points, il est nécessaire qu'ils soient au minimum au nombre de 3. Le repérage peut s'effectuer en une seule fois ou au contraire en plusieurs fois, par exemple après chaque moyen de séchage lorsqu'il s'agit d'une feuille de papier. Le changement d'état mécanique peut être induit par des efforts appliqués au matériau en feuille. Lorsque le procédé s'applique à un substrat statique les efforts appliqués peuvent être des efforts de traction biaxale Dans ce cas, on saisit les variations de la posi- tion des repères entre le moment o le substrat est soumis à ces efforts de traction et le moment précédant l'appli- cation de ces efforts. Lorsque le procédé s'applique à un substrat défilant en continu, le changement d'état mécanique peut être induit par le passage du substrat entre une presse ou entre des rouleaux de calandrage par exemple On saisit la variation de la position des repères suite au changement d'état mé- canique, c'est-à-dire la variation des positions entre avant et après le changement d'état mécanique. Le procédé selon l'invention peut se mettre en oeuvre à l'aide d'un dispositif formant une chaine de mesure et comprenant des moyens pour placer des repères sur le maté- riau en feuille dont on veut déterminer les caractéristi- ques mécaniques, des moyens pour induire un changement d'état mécanique du matériau, des moyens optiques pour saisir les images des variations de la position des re- pères, des moyens pour traiter les images précédentes, des moyens pour établir une corrélation entre les variations saisies et des variations connues, liées aux caractéristi- ques mécaniques du matériau. Les moyens optiques pour saisir les images sont es- sentiellement au moins une caméra vidéo. Les moyens pour traiter les images sont par exemple un ensemble formé par une carte particulière d'acquisition d'images par un calculateur et un logiciel effectuant un traitement d'images Cet ensemble permet de sélectionner uniquement les informations intéressantes contenues dans l'image, et le traitement en temps réel de l'image perçue par la caméra à raison de plusieurs images par seconde, par exemple 25 images par seconde ou plus. Le procédé et le dispositif selon l'invention per- mettent de déduire des caractéristiques mécaniques du ma- tériau en temps réel. Dans leur application à l'industrie papetière, ils permettent de contrôler de manière simple diverses gran- deurs mécaniques du papier difficilement accessibles aupa- ravant, telles que les modules d'élasticité, les propriétés de résistance à la rupture. Ce procédé qui traite les déformations en surface du papier peut en induire leur détermination sur toute la largeur de la laize et permettre de prévenir l'apparition de défauts susceptibles de provoquer des casses au cours de production lorsque ce procédé est utilisé en tant que moyen de contrôle sur la machine à papier. Ce procédé consistant à analyser à l'aide de la chaine de mesure décrite ci-dessus les déplacements de repère placés notamment en surface du matériau peut s'appliquer à tout produit en forme de film ou feuille nécessitant des techniques de contrôle non destructives. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description suivante d'un exemple d'application du procédé de mesure en tant que moyen de contrôle placé sur une machine papetière. La figure 1 représente schématiquement le dispositif selon l'invention pour les mesures de propriétés mécaniques d'une feuille de papier défilant en continu. Sur cette figure 1, la feuille continue de papier 1 qui défile à grande vitesse et dont on veut déterminer les caractéristiques mécaniques par l'analyse des déformations superficielles, est pourvue de repères 2, ici trois points dont on connait les positions respectives avant un change- ment d'état mécanique et dont on saisit les positions res- pectives à l'aide d'une caméra vidéo 3 après le changement d'état mécanique, à raison de 25 images par seconde et avec une précision de 0, 5 % des positions, ces images étant traitées à l'aide d'une carte d'acquisition 4 sélectionnant les images à traiter et effectuant en temps réel un pré- traitement de l'information et un micro-ordinateur 5 pourvu d'un logiciel de traitement d'images Ces données sont transmises à un autre ordinateur 6 capable de déterminer par un calcul rapide les caractéristiques mécaniques du papier à partir des données précédentes L'information peut être transmise (flèche en pointillés) au conducteur de la machine par exemple. Ce calcul est basé sur la modélisation du comportement global du papier par des lois de l'orthotropie, tel que décrit par exemple dans la thèse de doctorat "Lois de com- portement de matériaux hétérogènes anisotropes: mécanique de la rupture et de la fissuration appliquée à l'optimisa- tion de la fabrication du papier" par Huchon R, thèse de l'Université de Bordeaux I, N O ordre 576 ( 1991), publica-10 tion de Jones A R "An expérimental investigation of the in-plane elastic modulus of paper" Tappi, vol 51 N O 5, pages 203-209 ( 1968) et dans la thèse de doctorat "Etude de la résistance à la fissuration d'un matériau hétérogène anisotrope appliquée à l'optimisation du processus de fa-15 brication du papier" par Volozinskis X, thèse présentée à l'Université de Bordeaux I, N O d'ordre 267 ( 1988}, et à partir desquelles l'homme de métier pourra tirer des en- seignements nécessaires à la réalisation de l'invention. Ainsi, par exemple, en plaçant la caméra vidéo 3 après une presse, on saisit les nouvelles positions respectives des trois points déposés auparavant Les variations de po- sition vont finalement permettre à l'aide de la chaîne de mesure de déterminer les caractéristiques mécaniques de la feuille de papier Selon les résultats obtenus, le conduc-25 teur de la machine pourra intervenir le cas échéant sur les paramètres de fonctionnement de cette machine. REVENDICATIONS 1 Procédé pour mesurer les propriétés mécaniques, notamment les propriétés d'élasticité et de résistance à la rupture d'un matériau en feuille, notamment du papier, ca- ractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: on place des repères dans des positions déterminées sur et/ou dans le matériau en feuille, on induit un changement d'état mécanique du matériau, on saisit par images les variations de la position des repères à l'aide d'un logiciel de traitement d'images sé- lectionnant les images à traiter, à partir des images traitées on détermine les caracté- ristiques mécaniques du matériau à l'aide d'un logiciel de calcul de déformations qui sont liées aux caractéristiques mécaniques du matériau. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les repères sont au moins trois points. 3 Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour placer des repères sur le matériau dont on veut déterminer les caractéristiques mécaniques, des moyens induisant un changement d'état mécanique du matériau, des moyens optiques pour saisir les images des variations de la position des repères, des moyens pour traiter les images précédentes et des moyens pour établir une corrélation en- tre les variations saisies et des variations connues, liées aux propriétés mécaniques du matériau. 4 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens optiques pour saisir les images sont es- sentiellement au moins une caméra vidéo. Dispositif selon une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens pour traiter les images comprennent une carte particulière d'acquisition d'images permettant de sélectionner uniquement les informations in- téressantes, un microordinateur et un logiciel de traite- ment d'images. 6 Application du procédé au contrôle en temps réel des propriétés mécaniques d'une bande continue de matériau sur la ligne de fabrication. Application du procédé à la détermination des pro- priétés mécaniques d'un substrat statique.