Brevet FR2959817A1 — publié le 20111111

PROCEDE DE CONTROLE PAR ULTRASONS D'UNE PIECE COMPOSITE La présente invention concerne un procédé de contrôle par ultrasons d'une pièce moulée par injection en matériau composite, en particulier d'une aube de soufflante ou d'un carter en composite dans une turbomachine. Les matériaux composites sont couramment utilisés dans l'industrie aéronautique du fait de leurs bonnes propriétés mécaniques et de leur faible masse volumique en comparaison des matériaux métalliques. En particulier, des aubes de soufflante et certains carters de turbomachine sont actuellement réalisés en matériau composite. Ces pièces composites sont souvent réalisées par drapage, c'est-à-dire par des déposes successives de bandes de matériau fibreux pré-imprégnées de résine, suivies d'une étape de polymérisation. Des défauts peuvent apparaître dans ces pièces, tels que par exemple des défauts du type délaminage, formation d'amas de résine ou de porosités fragilisant les pièces composites. Le contrôle de la structure interne de ces pièces est en général réalisé par transmission d'ultrasons à travers la pièce à contrôler, par réflexion ou bien par contact, au moyen de transducteurs ultrasonores dont les fréquences de travail sont de 2,25 MHz et 5 MHz, ce qui permet une bonne détection des défauts précités. Les fabricants de moteurs d'avions ont actuellement de plus en plus recours à des pièces injectées en matériau composite. Ces pièces sont en général réalisées par insertion dans un moule d'une préforme tissée en trois dimensions, suivie d'une injection de résine dans le moule et d'une étape de polymérisation de la résine (procédé RTM ou Resin Transfer Molding). Avec un tel procédé, des formes tridimensionnelles complexes telles 30 que celles des aubes de soufflante peuvent être plus simplement réalisées. De plus, les pièces ainsi obtenues ont des propriétés mécaniques améliorées par rapport aux pièces composites obtenues par drapage du fait d'une structure interne tissée en trois dimensions. Toutefois, les pièces ainsi réalisées présentent une anisotropie plus importante que les pièces composites réalisées par drapage, du fait de leur structure tissée en trois dimensions. L'anisotropie est encore plus importante lorsque différents modes de tissage sont utilisés pour réaliser la préforme tridimensionnelle, puisque la pièce injectée peut ainsi présenter des zones plus riches en fibres et d'autres plus riches en résine. De plus, ces pièces injectées en composite peuvent avoir des épaisseurs importantes qui conduisent à une forte atténuation et une forte dispersion des ondes ultrasonores aux fréquences de 2,25 et 5 MHz jusque-là utilisées. De telles fréquences de travail s'avèrent ainsi inadaptées pour la détection de défauts sur des pièces injectées en composite. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ces problèmes. A cette fin, elle propose un procédé de contrôle par ultrasons d'une pièce injectée en matériau composite, caractérisé en ce qu'il consiste : à émettre un faisceau d'ondes ultrasonores focalisé à l'intérieur de la pièce au moyen d'un transducteur ultrasonore de fréquence 1 MHz, à focaliser le faisceau d'ondes ultrasonores émis par le transducteur émetteur à travers la pièce sur une face de la pièce opposée à celle située en regard du transducteur émetteur, et placer un transducteur plan de fréquence 1 MHz en mode de réception à l'opposé du transducteur émetteur par rapport à la pièce pour recevoir les ondes transmises à travers la pièce. Le procédé selon l'invention utilise donc deux transducteurs fonctionnant à 1 MHz dont l'un est un transducteur émettant un faisceau d'ondes ultrasonores focalisé et l'autre est un transducteur ultrasonore plan recevant les ondes ultrasonores traversant la pièce à contrôler. Cette fréquence de 1 MHz permet de réduire l'effet conjugué d'une forte anisotropie et d'une forte atténuation des ondes ultrasonores dans les pièces injectées en matériau composite. Le choix de la valeur de 1 MHz résulte d'un compromis entre la résolution minimale nécessaire à la détection des défauts et la limitation de l'atténuation et de la dispersion dans la pièce à contrôler. La focalisation du faisceau d'ondes ultrasonores à travers la pièce sur la face opposée au transducteur émetteur permet qu'un maximum de signal puisse être récupéré par le transducteur plan placé par rapport à la pièce à l'opposé du transducteur émetteur. Selon une autre caractéristique de l'invention, le transducteur émetteur a un diamètre compris entre environ 35 et 100 millimètres et une longueur focale comprise entre 50 et 160 mm. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le transducteur récepteur a un diamètre de l'ordre de 10 mm. Avantageusement, le transducteur émetteur est placé à une distance de la pièce d'environ 18 mm dans l'eau, ce qui permet d'obtenir une focalisation du faisceau d'ondes ultrasonores sur la face en regard du transducteur plan, dans le cas d'une pièce injectée d'épaisseur voisine de 18 mm puisque la vitesse de propagation des ondes ultrasonores dans les pièces injectées en matériau composite est supérieure à celle dans l'eau et est de l'ordre de 2800 m/s. Le transducteur récepteur peut être placé à une distance de la pièce d'environ 12 mm. Les deux transducteurs émetteur et récepteur sont avantageusement portés par un bras robot articulé pour réaliser un balayage de la pièce à contrôler et sont montés dans des buses de projection d'un jet d'eau entre chaque transducteur et la pièce à contrôler. Le transducteur émetteur porté par le bras est alors un transducteur de 35 mm de diamètre de façon à pouvoir être monté dans une buse de projection d'un jet d'eau et à limiter son poids pour qu'il puisse être déplacé avec précision par le bras robot. Un tel bras robot facilite le contrôle de pièces de grande taille et/ou de géométrie complexe (cambrée et vrillée par exemple), qui ne sont pas contrôlables par déplacement linéaire dans une cuve. En particulier, la pièce à contrôler avec le procédé selon l'invention est une pièce injectée en basse pression (procédé RTM ou « Resin Transfer Molding »), par exemple une aube de soufflante ou un carter de turbomachine. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue schématique partielle en perspective de la structure interne d'une pièce injectée en composite ; la figure 2 est une vue schématique d'une aube de soufflante de turbomachine ; la figure 3 est une représentation schématique du montage pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention ; ù la figure 4 est une représentation schématique d'un bras robot de balayage d'une pièce à contrôler au moyen du procédé selon l'invention. On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui représente une structure de fibres 10 telles que des fibres de carbone tissées en trois dimensions et destinée à être insérée dans un moule pour y être imprégnée d'une résine polymérisable injectée dans le moule par une pompe basse pression. Ce type de matériau composite injecté est à l'heure actuelle de plus en plus utilisé dans l'industrie aéronautique du fait de ses meilleures propriétés mécaniques en comparaison des composites obtenus par drapage. Ce procédé de moulage s'avère particulièrement intéressant pour la réalisation de pièces aux formes tridimensionnelles complexes telles que les aubes de soufflante qui sont fortement cambrées et vrillées (figure 1). Ce procédé de moulage par injection est également utilisé sur des pièces de la turbomachine qui sont fortement sollicitées en fonctionnement telles que les carters. De nombreux défauts peuvent apparaître sur ces pièces tels que la formation d'amas de résine ou de porosités dans la structure tridimensionnelle ou encore des défauts du type délaminage, particulièrement au niveau du bord d'attaque 12 des aubes de soufflante 14 (figure 2). Pour contrôler la structure interne de pièces en matériau composite, les opérateurs disposent de techniques à ultrasons basées sur la transmission d'un signal ultrasonore à travers la pièce, ou bien sur la réflexion d'ultrasons par la structure de la pièce. Les transducteurs utilisés jusque-là ont des fréquences de travail de 2,25 et 5 MHz. Il s'est avéré que l'utilisation de cette gamme de fréquences n'était pas du tout adaptée à l'inspection ultrasonore de l'état de pièces injectées en matériau composite qui peuvent avoir de plus fortes épaisseurs et dont la structure interne fortement hétérogène conduit à un augmentation de l'atténuation et de la dispersion des ondes ultrasonores aux fréquences comprises entre 2 et 5 MHz. L'invention apporte une solution à ce problème de détection des défauts dans les pièces injectées en matériau composite en réalisant un contrôle par transmission au moyen de deux transducteurs de fréquence 1 MHz. La figure 3 illustre la mise en oeuvre selon l'invention du contrôle par ultrasons des pièces injectées en matériau composite. Un transducteur émetteur 16 ou 18 de fréquence 1 MHz émettant un faisceau focalisé d'ondes ultrasonores 20 est agencé en regard d'une pièce injectée 22 en matériau composite. La distance entre le transducteur émetteur 16, 18 et la pièce injectée 22 à contrôler est ajustée de manière à ce que le faisceau d'ondes ultrasonores 20 soit focalisé sur la face 24 de la pièce qui se trouve en regard d'un transducteur plan 26 en mode de réception à l'opposé de l'émetteur. Cet ajustement dépend de l'épaisseur de la pièce 22 puisque les ondes se propagent plus rapidement dans la pièce injectée en matériau composite (environ 2870 m/s) que dans l'eau servant de milieu de couplage. Chaque transducteur focalisé 16, 18 et le transducteur plan 26 ont une fréquence de travail à 1 MHz. Cette fréquence s'avère bien adaptée à la détection de défauts dans les pièces injectées en matériau composite de forte épaisseur puisque à cette fréquence les ondes ultrasonores sont de 5 à 25 fois moins atténuées qu'à une fréquence de 2,25 MHz à 5 MHz. Des essais comparatifs ont été réalisés sur une plaque test injectée en matériau composite en utilisant un montage en transmission avec des transducteurs travaillant à 2,5 et 5 MHz et en utilisant le montage décrit ci-dessus. La plaque test a une épaisseur de 18,6 mm et comporte des inserts en téflon de diamètres 4, 6, 8, 10 et 12 mm représentant des défauts dans la structure interne d'une pièce injectée. Alors qu'avec la technique antérieure, le taux de détection moyen des défauts atteint au maximum 33 %, l'utilisation du procédé selon l'invention permet de détecter 100% des inserts en téflon. Le transducteur émetteur focalisé peut avoir un diamètre compris entre 35 et 100 mm. Le diamètre de la tache focale du transducteur 25 émetteur est de 2,4 mm. Pour un transducteur émetteur 18 focalisé de diamètre 100 mm, la longueur focale est d'environ 150 mm tandis que pour un transducteur émetteur 16 de diamètre de 35 mm environ, la longueur focale est de l'ordre de 50 mm environ 30 Le transducteur émetteur 16, 18 est excité par une tension de 150 Volts au moyen d'un générateur 27 dont le gain est ajusté à 19 dB. Le signal reçu par le transducteur récepteur 26 est filtré dans une bande passante entre 0,5 et 2 MHz de manière à éliminer les échos parasites aux fréquences ne correspondant pas à la bande passante du transducteur émetteur de 1 MHz. Le transducteur récepteur 26 a un diamètre de l'ordre de 10 mm et est placé à une distance d d'environ 12 mm de la pièce à contrôler. Le transducteur émetteur 18 d'un diamètre de 100 mm est à une distance D de 116 mm (dans l'eau) de la pièce 22. Celui de 35 mm de diamètre est à une distance de 18 mm (dans l'eau) de la pièce 22. Des pièces de géométrie très complexe comme par exemple les aubes de soufflante dans une turbomachine ne peuvent être contrôlées par des déplacements linéaires dans des cuves remplies d'eau pour assurer la propagation des ultrasons. Dans ce cas, on place la pièce à contrôler 28 sur un support 30 et les deux transducteurs focalisé 32 et plan 34 à 1 MHz sont portés par un bras robot articulé 36. Les transducteurs sont placés en vis-à-vis de la pièce 28, qui est intercalée entre les deux capteurs 32, 34. Les transducteurs 32, 34 sont agencés dans des buses 38 assurant une projection d'un jet d'eau entre la face active de chaque transducteur et la pièce à contrôler de manière à garantir un couplage et une propagation des ondes ultrasonores. Dans ce type de montage, on utilise un transducteur émetteur de 35 mm de diamètre, ayant un encombrement et une masse moins importants que ceux d'un transducteur de 100 mm qui pèse environ 1 Kg. De plus, un tel transducteur présente une longueur focale plus courte, qui rend plus simple le couplage du transducteur avec l'eau projetée. Avec un tel montage, il est possible de réaliser un balayage de la structure interne de la pièce injectée en matériau composite et ainsi réaliser une cartographie de sa structure interne. Dans un exemple particulier de contrôle d'une aube de soufflante, le bras robot est déplacé selon un mode pas à pas avec un déplacement de 1 mm entre deux points d'acquisition consécutifs et l'acquisition complète nécessite environ 1h. Du fait que l'aube ne présente pas une épaisseur constante entre les faces intrados et extrados, il est nécessaire d'adapter la distance entre le transducteur émetteur et la pièce à contrôler de manière à garantir une focalisation correcte du faisceau d'ondes ultrasonores sur la face de la pièce à l'opposé du transducteur émetteur. A cette fin des moyens sont prévus sur le bras robot 36 pour faire varier la distance entre le transducteur émetteur 32 et la pièce 28 injectée en matériau composite en fonction de l'épaisseur de la zone visée de la pièce. Dans d'autres réalisations de l'invention, un transducteur à 1 MHz de grand diamètre pourrait être utilisé. Dans ce cas, on préférera réaliser un déplacement non plus des transducteurs mais plutôt de la pièce à contrôler.15 REVENDICATIONS1. Procédé de contrôle par ultrasons d'une pièce injectée en matériau composite, caractérisé en ce qu'il consiste à : émettre un faisceau d'ondes ultrasonores focalisé à l'intérieur de la pièce au moyen d'un transducteur ultrasonore (16, 18, 32) de fréquence 1 MHz, focaliser le faisceau d'ondes ultrasonores émis par le transducteur émetteur (16, 18, 32) à travers la pièce (22, 28) sur une face de la pièce (24) opposée à celle située en regard du transducteur émetteur (16, 18, 32), et placer un transducteur plan (26, 34) de fréquence 1 MHz en mode de réception à l'opposé du transducteur émetteur par rapport à la pièce (22, 28) pour recevoir les ondes transmises à travers la pièce. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transducteur émetteur (16, 18, 32) a un diamètre compris entre 35 et 100 millimètres et une longueur focale comprise entre 50 et 160 mm. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le transducteur récepteur (26, 34) a un diamètre de l'ordre de 10 mm. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le transducteur émetteur (16, 18, 32) a un diamètre de 35 mm et est placé à une distance de la pièce d'environ 18 mm dans l'eau. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le transducteur récepteur (26, 34) est placé à une distance de la pièce d'environ 12 mm. 6. Procédé selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les deux transducteurs émetteur (32) et récepteur (34) sont portés par un bras robot articulé (36) pour réaliser un balayage de la pièce à contrôler et sont montés dans des buses de projection (38) d'un jet d'eau entre chaque transducteur (32, 34) et la pièce à contrôler (28). 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la pièce est réalisée par injection basse pression (procédé RTM). 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la pièce est une aube de soufflante ou un carter de turbomachine.5