Brevet FR2867277A1 — publié le 20050909

Procédé de détection d'usure d'un composant Domaine technique L'invention concerne les composants dont l'usage ou le fonctionnement entraîne une usure, c'est-à-dire une érosion de la surface ou d'une partie de la surface du composant. L'invention concerne un procédé optique destiné à détecter l'usure d'un composant et prévenir d'un niveau d'usure prédéterminé. Art antérieur Les composants dont l'usage ou le fonctionnement entraîne leur usure sont très nombreux. On peut citer les pièces soumises à des frottements avec un solide comme les éléments de freinage, les embrayages ou les cylindres des moteurs, les pièces soumises à des frottements avec l'air comme les pâles d'hélices ou les aubes de turbines, les dispositifs soumis à une corrosion de type chimique comme des pales de pompes, les moules, etc... Concernant les pièces soumises à des frottements avec un solide, les éléments de freinage sont en pratique les seuls éléments dont le niveau d'usure est détecté, la détection étant souvent réalisée par la mise à nu d'un conducteur électrique et la détection d'un signal électrique. Pour les autres types de pièces, l'inspection des zones soumises à l'usure est souvent impossible sans démontage car ces pièces sont difficiles d'accès. Concernant les pièces soumises à des frottements avec l'air, aucune détection de l'usure n'est en général pratiquée. Seule l'inspection visuelle ou assistée par un système d'analyse d'image permet d'estimer l'usure. Les moules, à l'exception des moules à usage unique, sont également soumis à l'usure alors que l'une de leur caractéristique essentielle est justement la stabilité dimensionnelle. Les moules sont très utilisés dans l'industrie pour fabriquer de nombreuses pièces métalliques, céramique, plastique, etc... Ils peuvent être utilisés pour fabriquer quelques pièces seulement par moule ou des milliers de pièces par moule. Leur usure est généralement détectée a posteriori par la mesure dimensionnelle des pièces moulées. Objet de l'invention L'invention a pour but de compléter les dispositifs actuels de détection et de mesure de l'usure et en particulier de détecter la mise a nu d'un composé photoluminescent préalablement dispersé dans le composant soumis à l'usure,. Selon l'invention, ce but est atteint par la dispersion d'un composé photoluminescent dans la couche d'usure ou la couche sous-jacente, ce composé étant mis à nu par l'effet d'érosion ou entraîné par le fluide de lubrification, puis la détection de la présence de ce composé soit en surface du composant soumis à usure soit dans un dispositif de filtration placé dans le circuit de lubrification, la détection du composé photoluminescent étant réalisée par mesure du rayonnement émis par le composé photoluminescent lorsqu'il est éclairé par un rayonnement excitateur. Selon l'invention, le composé photoluminescent est un composé organique ou un composé inorganique qui émet un rayonnement de fluorescence lorsqu'il est soumis à un rayonnement excitateur dans le domaine ultra- violet, visible ou infra-rouge. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le composé photoluminescent est dispersé dans la couche de surface du composant soumis à usure. La détection de l'usure consiste alors en la mesure de l'affaiblissement ou la disparition dans la couche de surface du signal de fluorescence du composé photoluminescent lorsqu'il est soumis à un rayonnement excitateur. Selon une variante de ce premier mode de réalisation de l'invention, le composé photoluminescent est dispersé dans la couche de surface d'un composant soumis à usure et lubrifié et la détection de l'usure consiste alors en la mesure d'un signal de fluorescence dans le dispositif de filtration placé dans le circuit de lubrification. Selon un second mode de réalisation de l'invention, le composé photoluminescent est dispersé dans une couche du composant sous-jacente à la couche de surface. La détection de l'usure consiste alors en la mesure de l'apparition du signal de fluorescence du composé photoluminescent de la couche sous-jacente à la couche de surface lorsqu'il est soumis à un rayonnement excitateur. Selon une variante de ce second mode de réalisation l'invention, la couche sous-jacente à la couche de surface dans laquelle est dispersé le composé photoluminescent constitue le corps du composant. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et dans lesquels: La figure 1 représente un composant constitué d'un corps recouvert par une couche localement usée dans laquelle est dispersée un matériau photoluminescent, cette couche étant soumise à un rayonnement excitateur. La figure 2 représente un composant constitué d'un corps recouvert par une première couche dans laquelle est dispersée un matériau photoluminescent et couverte par une couche de surface localement usée, l'ensemble étant soumis à un rayonnement excitateur. Description de modes particuliers de réalisation Selon l'invention, le composé photoluminescent est choisi parmi les composés photoluminescents organiques ou les composés photoluminescents inorganiques, en particulier choisi parmi les oxydes, les sulfures ou les oxysulfures dopés avec une terre rare ou un élément de transition, ou les composés photoluminescents hybrides qui sont constitués d'un composé photoluminescent organique stabilisé dans une gangue inorganique. Ce composé photoluminescent émet une luminescence dans les domaines visible ou infra-rouge lorsqu'il est excité par un rayonnement dans les domaines ultra-violet ou visible ou infra-rouge. Selon un premier mode de réalisation de l'invention représenté en figure 1, le composé photoluminescent est dispersé dans la couche de surface 1 du composant. Cette couche de surface 1 est un métal ou un alliage métallique, une céramique, un polymère, un vernis ou une peinture. Cette couche de surface 1 est celle qui est sensible à l'usure. Cette couche de surface 1 est supportée par une couche 2, cette couche 2 pouvant former le corps du composant. La couche de surface 1 se dégrade au cours du temps en fonction de l'usure du composant. Cette dégradation se traduit soit par une réduction, homogène ou non, de son épaisseur, soit par un arrachement 3 total ou partiel de l'épaisseur de la couche de surface 1 sur une partie de la surface. Le contrôle de la qualité de la couche de surface 1 s'effectue en éclairant cette surface avec un rayonnement d'excitation 4 ultra-violet ou visible ou infra-rouge et en détectant le signal de fluorescence 5 émis par le composé luminescent dispersé la couche de surface. Le rayonnement d'excitation 4 peut être produit par une lampe, en particulier une lampe xénon, un laser, une diode électroluminescente, une lampe à décharge ou par tout autre dispositif émettant des photons dans les domaines ultra-violet ou visible ou infra-rouge. La détection du signal peut être obtenue par une photodiode, un photomultiplicateur, un dispositif CCD, une plaque photographique ou par tout autre dispositif permettant la détection des photons émis dans les domaines visibles ou infra-rouge. Une diminution locale de l'intensité 6 du rayonnement émis par la couche de surface traduira une dégradation 3 de la couche de surface 1. Cette diminution 3 peut consister en la disparition totale du signal 6 si la couche a été localement totalement érodée ou arrachée. Dans le cas où la luminescence n'est pas uniforme dans la couche de surface avant toute usure, on peut procéder à une cartographie, sous rayonnement excitateur, de l'intensité de l'émission de luminescence avant toute usure puis comparer cette cartographie à la mesure effectuée après usure. De la même façon que précédemment, une diminution locale du rapport de la valeur mesurée à celle de la cartographie initiale traduira une dégradation de la couche de surface. Selon une variante de ce premier mode de réalisation de l'invention, le composé photoluminescent est dispersé dans la couche de surface soumise à usure du composant, ce composant étant lubrifié ou refroidi par la circulation d'un liquide tel qu'une huile ou un fluide caloporteur qui entre en contact avec la couche de surface. L'usure de cette couche de surface et la circulation du liquide entraîne des particules du composé photoluminescent qui sont capturées dans un dispositif de filtration placé dans le circuit de lubrification ou de refroidissement. La détection de la présence du composé photoluminescent est ensuite réalisée par mesure du rayonnement émis par le composé photoluminescent lorsqu'il est éclairé par un rayonnement excitateur. Selon un second mode de réalisation de l'invention représenté en figure 2, le composé photoluminescent est dispersé dans une couche 7 du composant soumis à usure sous-jacente à la couche de surface 8. La couche 7 est constituée d'un métal ou alliage métallique, d'une céramique, d'un polymère, d'un vernis ou d'une peinture, la couche de surface 8 étant constituée d'un métal ou un alliage métallique, une céramique, un polymère, un vernis ou une peinture. La couche 7 est supportée par un matériau 9 qui peut former le corps du composant. La couche de surface 8 est sensible à l'usure et se dégrade donc au cours du temps en fonction de l'usure du composant. Cette dégradation 10 se traduit soit par une réduction, homogène ou non, de son épaisseur, soit par un arrachement total ou partiel de l'épaisseur de la couche de surface sur une partie de la surface. Le contrôle de la qualité de la couche de surface s'effectue en éclairant cette surface avec un rayonnement d'excitation 11 ultraviolet ou visible ou infra-rouge et en détectant le signal de fluorescence 12 émis par le composé luminescent dispersé dans la couche 7. Le rayonnement d'excitation 11 peut être produit par une lampe, en particulier une lampe xénon, un laser, une diode électroluminescente, une lampe à décharge ou par tout autre dispositif émettant des photons dans les domaines ultra-violet ou visible ou infra-rouge. La détection du signal peut être obtenue par une photodiode, un photomultiplicateur, un dispositif CCD, une plaque photographique ou par tout autre dispositif permettant la détection des photons émis dans les domaines visibles ou infra-rouge. Lorsque l'usure de la couche de surface se traduit par une réduction 10 de son épaisseur, une fraction du rayonnement d'excitation peut alors traverser la couche de surface et exciter le composé photoluminescent dispersé dans la couche 7. Ce composé émet alors un rayonnement de fluorescence 12 d'autant plus intense que l'épaisseur résiduelle de la couche de surface est faible, donc que l'usure est importante. Ce rayonnement de fluorescence 12 est détecté et analysé. Lorsque l'usure de la couche de surface n'est pas homogène, la fraction du rayonnement d'excitation 11 qui peut traverser la couche de surface et exciter le composé photoluminescent dispersé dans la couche sous-jacente n'est pas homogène et une cartographie de l'intensité de l'émission 12 de fluorescence indique les zones d'usure préférentielle. Lorsque l'usure de la couche de surface se traduit par un arrachement de l'épaisseur de la couche de surface sur une partie de la surface, la totalité du rayonnement d'excitation 11 atteint localement le composé photoluminescent dispersé dans la couche 7 et le signal de fluorescence 12 est alors maximum. Selon une variante de ce second mode de réalisation de l'invention, la couche 7 constitue le corps du composant. Le composé photoluminescent est alors dispersé dans tout le volume du corps du composant. L'invention n'est pas limitée aux modes particuliers de réalisation décrits et représentés ci-dessus. En particulier, plusieurs composés luminescents peuvent être dispersés dans la couche marquée et plusieurs couches superposées peuvent être marquées. La réalisation du procédé selon l'invention va être décrite plus en détail ci-dessous. Exemple 1 Un moule destiné à la reproduction de composants en polymère est réalisé en résine époxy. Pour cela, on réalise un composant dit master qui sert à la fabrication des moules. Ce composant master peut être obtenu par diverses techniques d'usinage ou de découpe ou d'érosion. Le moule est alors réalisé en enduisant la surface de ce composant master d'une première couche de résine époxy, parfois appelée gel coat , dans laquelle a été dispersé un 2867277 8 composé photoluminescent à la concentration massique de 1%. Ce composé photoluminescent peut être choisi parmi les composés organiques fluorescents ou les composés inorganiques tels que les oxydes, sulfures ou oxysulfures. Ce pourra être en particulier un produit de composition BaMgAI10O17 dopé à 5% de manganèse. Ce composé bien connu de l'homme de l'art est en particulier utilisé dans les dispositifs de visualisation comme les écrans à plasma. Ce composé émet un rayonnement dans le vert lorsqu'il est excité par un rayonnement dans l'ultra-violet. Le composé photoluminescent est initialement sous forme de poudre de granulométrie moyenne voisine de 400 nm. Il est dispersé dans la résine lors d'une opération de mélangeage par exemple dans un mélangeur à billes. Cette première couche de résine époxy dans laquelle a été dispersé le composé photoluminescent a une épaisseur d'environ 1 mm. Une seconde couche de résine chargée de fibres de verre est alors appliquée sur cette première couche. L'épaisseur de cette seconde couche est d'environ 5 mm. Elle a pour but de stabiliser la forme du moule. Bien évidemment, les éléments nécessaires au démoulage ont été pris en compte comme il est connu de le faire par l'homme de l'art. Avant toute utilisation, on éclaire la surface utile du moule par un rayonnement ultra-violet à 254 nm provenant d'une lampe à vapeur de mercure. Une cartographie de la luminescence de la couche est enregistrée à l'aide d'un détecteur formé d'une photodiode munie d'un filtre vert et placée à l'extrémité d'une fibre optique dont l'autre extrémité balaie l'ensemble de la surface utile du moule. Lors des moulages consécutifs, le moule s'use par arrachement de petits volumes de la première couche de résine chargée avec le composé photoluminescent. Les dimensions des pièces moulées sont alors modifiées d'une pièce à l'autre. Le contrôle de la qualité du moule s'effectue en éclairant la surface utile du moule par un rayonnement ultra-violet à 254 nm provenant d'une lampe à mercure, en mesurant la luminance émise localement par la couche et en calculant, pour chaque élément de surface, le ratio entre la luminance mesurée lors de la cartographie initiale est la luminance mesurée après utilisation du moule. Pour un élément de surface donné, ce ratio diminue lorsque l'épaisseur de la première couche diminue. Le moule est déclaré défectueux lorsque ce ratio est inférieur à 0.5 sur un quelconque élément de surface. Exemple 2 Le corps d'un moule destiné à la reproduction de composants métalliques par pressage est réalisé en acier. La surface utile du moule, entrant en contact avec le matériau à presser, est recouvert d'une première couche d'épaisseur 0.3 mm d'un matériau polymère dans lequel est dispersé un composé photoluminescent de composition Y2O3 dopé à 5% d'europium à la concentration massique de 2%. Ce composé est bien connu de l'homme de l'art car très utilisé en éclairage par tubes fluorescents. Ce composé émet un rayonnement dans le rouge lorsqu'il est excité par un rayonnement dans l'ultra-violet à 254 nm. Le composé photoluminescent est initialement sous forme de poudre de granulométrie moyenne voisine de 200 nm. Il est dispersé dans la résine lors d'une opération de mélangeage par exemple dans un mélangeur à billes. Cette couche est recouverte d'une seconde couche d'épaisseur 0.2 mm en PTFE (polytétrafluoroethylene) destinée à rendre la surface anti-adhérente. Cette couche de PTFE d'épaisseur 0.2 mm est totalement opaque aux rayons ultra-violet à 254 nm. Lors des moulages consécutifs, la surface du moule s'use par érosion de la couche en PTFE qui ne joue alors plus son rôle et la rugosité de surface des pièces moulées augmente. Cette usure de la couche de surface en PTFE entraîne une diminution de son opacité au rayonnement ultra- violet. Un rayonnement ultra-violet pourra alors partiellement traverser cette couche et exciter le composé photoluminescent dispersé dans la couche sous-jacente, celui-ci émettant alors un signal dans le rouge. Le contrôle de la qualité de la couche de surface en PTFE s'effectue en s'affranchissant de la lumière extérieure et en éclairant toute la surface utile du moule par un rayonnement ultra-violet et en analysant le signal détecté par une photodiode. Le rayonnement ultra-violet est un rayonnement à 254 nm provenant d'une lampe à vapeur de mercure munie d'un filtre passe-bas qui absorbe toutes les radiations de longueur d'onde supérieure à 300 nm. Le signal provenant de l'émission dans le rouge du composé photoluminescent Y2O3 dopé europium est détecté par une photodiode et son intensité est comparée à une valeur seuil. La couche est déclarée usée, donc impropre à une production, lorsque l'intensité du signal détecté dépasse cette valeur seuil. Revendications 1. Procédé de détection d'usure d'un composant caractérisé en ce qu'il consiste en la dispersion, lors de la fabrication du composant, d'un composé photoluminescent dans la couche soumise à usure puis, en cours d'utilisation de ce composant, la détection de la présence de ce composé photoluminescent par éclairement par un rayonnement excitateur de la couche soumise à usure et détection et analyse du rayonnement de fluorescence émis par le composé photoluminescent. 2. Procédé de détection d'usure d'un composant selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'analyse du rayonnement de fluorescence émis par le composé photoluminescent consiste en le calcul du ratio, pour chaque élément de surface, entre la luminance avant toute usure et la luminance à l'instant du contrôle. 3. Procédé de détection d'usure d'un composant caractérisé en ce qu'il consiste en la dispersion, lors de la fabrication du composant, d'un composé photoluminescent dans la couche soumise à usure puis, en cours d'utilisation de ce composant, en ce que le composé photoluminescent est entraîné par un liquide de refroidissement ou un lubrifiant et en ce que la présence du composé photoluminescent est détecté par éclairement du liquide par un rayonnement excitateur et détection et analyse du rayonnement émis par le composé photoluminescent dans le liquide. 4. Procédé de détection d'usure d'un composant caractérisé en ce qu'il consiste en la dispersion, lors de la fabrication du composant, d'un composé photoluminescent dans la couche sous-jacente à la couche soumise à usure puis, en cours d'utilisation de ce composant, la détection de la présence de ce composé photoluminescent par éclairement de la surface du composant par un rayonnement excitateur et détection et analyse du rayonnement de fluorescence émis par le composé photoluminescent. 5. Procédé de détection d'usure d'un composant selon la revendication 4 caractérisé en ce que la couche sous-jacente à la couche soumise à usure constitue le corps du composant. 6. Procédé de détection d'usure d'un composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le composé photoluminescent est un composé inorganique choisi parmi les oxydes, les sulfures ou les oxysulfures dopés avec une terre rare ou un élément de transition. 7. Procédé de détection d'usure d'un composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que le composant est un moule destiné à la reproduction de pièces similaires et de dimensions contrôlées.