Brevet FR3058675A1 — publié le 20180518

PROCÉDÉ ET SYSTÈME DE CONTRÔLE D'USINAGE PLI À PLI DE MATÉRIAU MULTICOUCHE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE [0001] L'invention se rapporte à un procédé de contrôle d'usinage pli à pli de matériau multicouche, en particulier de matériau composite. L'invention s'inscrit dans le cadre d'une mise en oeuvre de toute technologie d'usinage appropriée pour retirer des volumes de matière déterminés, en particulier par jet d'eau abrasif à haute pression. L'invention se rapporte également à un système automatisé de contrôle d'usinage pli à pli apte à mettre en oeuvre un tel procédé. [0002] L'invention s'applique aux structures mécaniques de grande dimension dans les domaines de l'éolien, de l'aéronautique ou de la construction navale et, en particulier mais non exclusivement, aux panneaux de caisson, de cadres ou de parois. De nos jours, ces structures sont de plus en plus constituées de matériaux à fibres longues, en général en matériaux composites car ces matériaux permettent d'atteindre un ratio tenue mécanique / poids d'un niveau sensiblement supérieur aux ratios obtenus avec les matériaux classiques à base d'alliage métallique. [0003]Les matériaux composites sont, de manière générale, constitués d'un empilement de couches ou plis de fibres - fibres de carbone, de verre, de kevlar ou équivalent - orientées selon des directions différentes d'un pli au pli suivant. Les plis sont imprégnés d'une résine afin de former un ensemble présentant une grande solidité dans le sens des fibres. [0004]De plus, l'orientation variable des couches successives des plis et la faible épaisseur de ces plis permettent une adaptabilité et donc une optimisation des structures en fonction des contraintes locales. Les matériaux composites permettent ainsi de réaliser de grandes structures en un seul tenant. 3058675 2 ÉTAT DE LA TECHNIQUE [0005] Cependant, le coût élevé de fabrication des matériaux composites impose de les réparer en cas d'impact ou de défaut. [0006] En aéronautique plus particulièrement, deux méthodes principales 5 se sont développées pour la réparation des structures composites : la réparation boulonnée et la réparation collée. La réparation boulonnée, déjà utilisée pour les structures métalliques, est moins adaptée aux spécificités des matériaux composites. En effet, cette technique présente l'inconvénient majeur de nécessiter un grand nombre de perçages pour le rivetage, et ces perçages sont 10 incompatibles avec les caractéristiques mécaniques des matériaux composites à fibres longues. [0007] La réparation par collage constitue une technique plus évoluée et bien adaptée aux matériaux composites. Cette réparation a fait l'objet de développements, illustrés par exemple par les documents de brevet EP 2 442 941, 15 US 2015185128, US 2013164481, US 2013294644 ou US20150203217. Comme illustré par la vue en coupe d'un panneau en matériau composite 10 de la figure la, cette réparation consiste en général à enlever la matière endommagée 9 (en traits pointillés sur la figure la) et à usiner un évidement « E » en marches d'escalier Mi, de pli à pli « Pi » successifs (ou en pente continue), les plis 20 présentant trois orientations dans l'exemple (matérialisées par des hachures de directions différentes). L'évidement « E », réalisé à l'aide d'un système d'apport d'énergie - par exemple de jet d'eau abrasif -, s'élargit à partir d'un pli de fond Px non usiné jusqu'au revêtement de surface le du panneau 10. [0008] Un patch 20 de rebouchage, de même forme que celle de 25 l'évidement «E », est alors préparé et collé par de la résine époxy ou par co- cuisson sur les marches Mi (ou les pentes des plis) du panneau 10 (cf. figure lb). Ce patch 20 présente avantageusement des plis P'i orientés successivement comme ceux du panneau 1 à réparer avec, une fois les avancées Ai du patch collé sur les marches Mi, un décalage d'orientation des plis tel que chaque pli P'i du 30 patch 20 prend appui sur le pli Pi du panneau 10 présentant la même orientation. [0009] Un tel assemblage est conforme au principe mécanique de base de la réparation collée: sur chaque marche de la structure, les efforts de traction 3058675 3 du pli d'en dessous Pi sont transférés au pli P'i de même orientation qu'il supporte par cisaillement au niveau du collage. La largeur de chaque marche Mi est ainsi déterminée pour supporter en cisaillement les contraintes que chaque pli Pi de la structure supporte en traction. 5 [0010] Cependant, l'usinage de réparation doit pouvoir faire apparaitre chaque pli concerné au cours de l'opération de sorte que le transfert des contraintes par cisaillement puisse s'effectuer correctement, sans attaquer ni abimer ces plis afin de ne pas réduire leur capacité mécanique en traction. [0011] Les besoins en précision dans l'usinage et le collage génèrent une 10 grande variabilité dans leur exécution, variabilité qui résulte des singularités des matériaux telles que les relaxations, les reprises de plis (décalage,...), l'épaisseur variable des plis (défauts internes), ou la présence de différents matériaux. Or, aucun moyen de contrôle non-destructif et fiable n'a été jusqu'à présent développé pour valider la bonne exécution des phases d'usinage et de collage si bien que la 15 réparation collée de pièces de structure n'est pas certifiée en aéronautique. [0012] Il est ainsi apparu utile de réduire les variabilités des différentes phases de la réparation collée par une automatisation de l'usinage - par jet d'eau abrasif, laser, outillage coupant ou ultrasons - et de définir des indicateurs qualitatifs permettant de valider certaines phases. 20 [0013]Cependant, les variabilités géométriques des pièces à réparer résultant des singularités visés ci-dessus empêchent de définir des critères de qualité géométriques et seuls des critères visuels, non automatisés, sont ainsi utilisés: chaque marche est observée et le pourcentage de la marche en surface présentant la bonne orientation de fibres est indiqué. Cette démarche est longue, 25 fastidieuse, peu reproductible et l'archivage des résultats est incertain. [0014] De tels procédés de contrôle visuels et manuels restent aléatoires et la variabilité de mesure demeure en définitive inférieure à celle du phénomène à contrôler. 30 EXPOSÉ DE L'INVENTION [0015]L'invention vise à réaliser une caractérisation de la qualité d'usinage pli à pli de matériaux multicouches présentant une rapidité, une 3058675 4 reproductibilité, ainsi qu'une fiabilité d'archivage bien supérieure à celles des procédés manuels de contrôle visuels. Pour ce faire, l'invention prévoit une caractérisation optique par une analyse d'image pour contrôler l'état de surface d'une pièce après un usinage de réparation. 5 [0016] A ce titre, la présente invention a pour objet un procédé de contrôle d'usinage pli à pli d'une pièce en matériau composite multicouche de type fibres - résine en réparation par l'usinage d'un évidement en marches d'escalier pli à pli ou en pente continue d'un empilement de plis de différentes orientations successives, comportant les étapes suivantes: 10 - prise d'images selon des éclairages d'orientation différente d'une surface de la pièce usinée à contrôler en fonction des orientations et des caractéristiques optiques des plis usinés; - analyse par comparaison des images pixel par pixel afin de déterminer l'orientation de chaque pixel comme correspondant à celle de l'image dans 15 laquelle ce pixel a une brillance supérieure; - si le pixel présente une brillance similaire sur toutes les images, ce pixel est attribué à de la résine; - construction d'une cartographie en unité pli de la surface à contrôler par l'application de l'analyse précédente à l'ensemble des pixels ; 20 - estimation d'un niveau de qualité d'usinage à partir de la cartographie réalisée, et - archivage de chaque cartographie ainsi réalisée en tant que résultat d'usinage. [0017] Selon des mises en oeuvre avantageuses : - une étape supplémentaire, avant archivage, de détermination par 25 zone, en particulier par marche, de la répartition surfacique des phases d'orientations de pli et de résine afin de valider en unité pli une tolérance d'usinage prédéterminée; - l'étape supplémentaire est suivie d'une étape complémentaire de détermination de la profondeur usinée en unité pli à partir de ladite répartition 30 surfacique ; 3058675 5 - la détermination de la profondeur usinée en unité pli est établie pour chaque phase par un report graphique de sa répartition surfacique en fonction de différentes profondeurs en unité pli. [0018] L'invention se rapporte également à un système automatisé de 5 contrôle d'usinage de réparation pli à pli d'une surface d'une pièce en matériau multicouche, apte à mettre en oeuvre un tel procédé. Ce système comporte une unité de traitement numérique de données en liaison avec une commande de sources lumineuses et une commande d'au moins une caméra de prises de vue. Les sources sont réparties sur des rampes de lumière linéaires montées sur des 10 murs de lumière adjacents orientés successivement pour former un polyèdre régulier fermé autour d'un axe central, la caméra étant agencée sur son axe central. [0019] La caméra enregistre des signaux d'images correspondant à l'éclairage des couples de rampes de sources lumineuses d'orientation opposée 15 sur la pièce à contrôler et activées successivement par la commande. Un convertisseur des signaux d'images est destiné à transmettre des données d'image numériques à l'unité de traitement numérique pour fournir des informations conformément au procédé défini ci-dessus. [0020] Selon des modes de réalisation préférés : 20 - la caméra et les sources lumineuses sont fixées sur une table de déplacement en XY asservie par l'unité de traitement pour positionner la caméra et les rampes de lumière afin de réaliser un assemblage d'images élémentaires enregistrées par la caméra lors de l'éclairage des couples de rampes de lumière d'orientation opposée activées successivement par la commande; 25 - l'unité de traitement numérique comporte un module de mémoire pour archiver les données de brillance, d'orientation des pixels, de cartographie et d'estimation de niveau de qualité d'usinage issues du traitement des données des signaux d'images selon le procédé de l'invention; - le module de mémoire de l'unité de traitement numérique 30 comporte également des données de tolérance d'usinage prédéterminées en fonction du matériau et des caractéristiques mécaniques de la pièce; 3058675 6 - la bande spectrale des sources lumineuses, les orientations des murs et donc des éclairages des rampes de sources lumineuses ainsi que les caractéristiques optiques de la caméra, en particulier de filtrage par un filtre polarisé, sont adaptées au matériau multicouche usiné; 5 - le polyèdre des murs de lumière est un octogone et les sources lumineuses sont des diodes électroluminescentes alignées le long de chaque face de cet octogone. PRÉSENTATION DES FIGURES [0021] D'autres données, caractéristiques et avantages de la présente 10 invention apparaîtront à la lecture de la description non limitée qui suit, en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement : - les figures la et 1 b, des vues en coupe d'un panneau multicouche tel qu'usiné pour une réparation locale (figure la) et tel que rebouché par un patch (figure lb) selon la technique connue de réparation collée (déjà commentées); 15 - la figure 2, une vue supérieure d'un exemple de système de contrôle selon l'invention avec des murs de lumière formant un octogone autour de la caméra de prise de vues; - la figure 3, un ensemble de quatre vues d'image (IA à ID) prises par la caméra de la figure 2 pour respectivement quatre orientations d'éclairage 20 obtenues successivement par les murs de lumière de la figure 2; - la figure 4, une cartographie de la surface usinée obtenue par sélection de l'orientation de chaque pixel à partir d'une comparaison des valeurs de brillance de ce pixel dans les images de la figure 3, et - la figure 5, un graphique d'évolution du pourcentage surfacique contrôlé 25 de différentes phases d'orientation de pli et de résine pour différentes profondeurs en unité pli. DESCRIPTION DÉTAILLÉE 30 [0022] En référence à la vue supérieure de la figure 2, un système automatisé de contrôle d'usinage de réparation 2 selon l'invention comporte huit 3058675 7 murs de lumière 11a à 11h formant un octogone régulier 11 d'axe central Z'Z. Chaque couple de murs adjacents, par exemple 11a et 11b, forment un écart angulaire de 45° et deux murs symétriquement opposés par rapport à l'axe Z'Z, par exemple 11a et 11e, sont parallèles. 5 [0023]Chaque mur 11a à 11h intègre une rampe linéaire de sources lumineuses 12, six diodes électroluminescentes « LED » 12a dans l'exemple illustré. L'éclairage de chaque rampe de lumière 12 a pour angle celui du mur 11a à 11h sur lequel la rampe de lumière est fixée et les paires de rampe de deux murs opposés, et donc d'orientation opposée, sont connectées électriquement 10 ensemble. [0024] En prenant pour référence un plan II-II perpendiculaire à deux murs opposés, 11a et 11e dans l'exemple, les éclairages des rampes 12 fixés sur deux murs opposés - 11a et 11e, 11b et 11f, 11c et 11g ainsi que 11d et 11h - sont orientés avec des écarts d'angle respectivement égaux à 0°, 45°, 90° et 135° sur 15 le panneau de matériau composite 10 à contrôler, tel que disposé parallèlement au plan des rampes de lumière 12. Les rampes de lumière 12 sont avantageusement fixées sur une table de déplacement en XY 13. [0025]Le système automatisé 2 comporte également une caméra de prise de vues numérique 21, fixée également sur la table de déplacement en XY 20 13, munie d'un objectif 2a adapté à la bande spectrale des LED 12a. L'objectif 2a, aligné sur l'axe central Z'Z, est avantageusement muni d'un filtre polarisant 2b afin de générer des images sans reflet de la surface 10a du panneau usiné 10 pour une réparation collée. Plus généralement, il est avantageux d'adapter l'objectif, l'ajout de filtres, le type de cellules photosensibles de la caméra en fonction des 25 matériaux contrôlés. [0026]De plus, il est avantageusement tenu compte des orientations principales des couches du matériau multicouche à contrôler pour définir les caractéristiques optiques de la caméra et le nombre de rampes de lumière pour utiliser des écarts d'angle pertinents entre ces rampes afin de couvrir toute la zone 30 de réparation. 3058675 8 [0027] En outre, le système automatisé 2 comporte une unité de traitement numérique de données 23 intégrant un module mémoire 2m en liaison avec une commande 12c des rampes de lumière 12 et une commande 21c de la caméra de prises de vue 21. Un convertisseur de signaux 25 intégré également à 5 l'unité de traitement 23 traduit les signaux d'image en données numériques exploitables par l'unité de traitement 23. [0028] En fonctionnement, l'éclairage des rampes opposées 12 est activée successivement par la commande 12c et la camera 21 enregistre une image par orientation des rampes de lumière 12 l'unité de traitement numérique 10 23 gérant l'ensemble des commandes. [0029] En référence aux quatre vues d'image IA à ID de la figure 3 ainsi obtenues, la zone couverte par la caméra 21 et les rampes de lumière 12 sont avantageusement positionnées en XY par la table 13 (cf. figure 2) pour permettre un contrôle complet ou au moins représentatif de tout l'usinage. Les quatre 15 images obtenues IA à ID pour les quatre orientations de lumière 00, 45°, 90° et 135°, coïncidant avec les orientations des plis, s'étendent sur une zone large de 300 x 130 mm2. Plus précisément, la table de déplacement en XY 13 est asservie par l'unité de traitement numérique 23 pour permettre un assemblage des images élémentaires qui s'étendent individuellement sur environ 15 x 15 mm2. Le 20 convertisseur 25 des signaux d'images enregistrés par la caméra 21 transmet des données numériques à l'unité de traitement numérique 23 pour fournir les informations d'image exploitées ci-dessous (cf. figure 2). [0030] Les images IA à ID présentent différentes marches demi-circulaires Mi autour du pli de fond Px, les marches Mi étant obtenues après un usinage pli à 25 pli pour effectuer ultérieurement la réparation du panneau de matériau composite usinée 10 par un patch de configuration complémentaire (cf. figures la et lb). Selon l'orientation des rampes de lumière, la brillance des marches Mi est différenciée. Ces différences de brillance sont exploitées avec l'élaboration ci-dessous d'une cartographie de surface pour estimer le niveau de qualité de 30 l'usinage. 3058675 9 [0031] Une telle cartographie de surface 5 du panneau usinée à contrôler 10 est illustrée par la figure 4. Cette cartographie 5 est réalisée en analysant, les quatre images IA à ID de la figure 3. L'analyse consiste à comparer pixel à pixel les quatre images IA à ID de la surface usinée 10a calibrée en unité pli de la manière 5 suivante. Plus précisément, lorsque la brillance d'un pixel Po d'une image, par exemple IA, est supérieure que celle du même pixel dans les autres images IB à ID, le pixel Po est considéré avoir l'orientation de l'image IA. Lorsqu'un pixel Pr a des niveaux de brillance similaires dans les quatre images IA à ID, ce pixel Pr est considéré être de la résine. 10 [0032] Cette cartographie de surface 5 permet alors d'estimer directement, de façon automatisée, rapide et reproductible par l'unité de traitement 23, la qualité d'usinage en fonction de l'homogénéité des attributions de pixels sur les différentes images IA à ID correspondant aux différentes orientations de pli. Cette estimation directe est archivée numériquement dans le module mémoire 2m 15 de l'unité de traitement 23. [0033]Avantageusement, les pourcentages surfaciques des cinq phases - les quatre orientations de pli et la résine - la cartographie de surface 5 peut également être exploitée par l'unité de traitement 23 par zone, dans l'exemple par marche Mi, et définir un pourcentage de chaque orientation de pli pour une 20 orientation de référence, une orientation à 45° dans l'exemple : 85% de plis à 45°, 8% de résine et 7% de plis à 90°. Ces pourcentages servent alors à valider la tolérance d'usinage en unité pli pour ce panneau 10, telle que référencée dans le module mémoire 2m de l'unité de traitement 23 (cf. figure 2). La cartographie est également archivée dans ce module 2m. 25 [0034] Les pourcentages surfaciques des cinq phases de la cartographie 5 permettent également de définir des profondeurs usinées en unité pli, comme le montre le graphique «G » de la figure 5. [0035]Ce graphique « G » montre l'évolution de la courbe Cp de pourcentage surfacique de phase contrôlée Ph% sur deux plis consécutifs P+1 et 30 P-1 pour différentes profondeurs en unité pli P% situées autour de l'interface inter- 3058675 10 pli pris comme référence 100%. La courbe de pourcentage de phase « résine » Cr est également reportée. [0036]Chaque profondeur en unité pli P%, par exemple 80% sur le graphe de la figure 5, correspond à des répartitions spécifiques sensiblement 5 complémentaires du pourcentage surfacique contrôlée Ph% dans les plis P-i-1 et P-1, environ respectivement 10% et 35% dans l'exemple, avec environ 55% de résine. Le graphique « G » est également archivé dans le module mémoire 2m (cf. figure 2). [0037] L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés. 10 Le procédé selon l'invention peut être totalement, semi ou partiellement automatisé. D'autre part, le nombre de murs de lumière peut être de 6, 10 ou 12 ou plus, et le nombre de sources lumineuses par rampe peut également varier. En outre, deux caméras positionnées en vis-à-vis peuvent être utilisées. De plus, les murs de lumière peuvent ne pas être couplés par paires. REVENDICATIONS1. Procédé de contrôle d'usinage pli à pli d'une pièce en matériau composite multicouche (10) de type fibres - résine en réparation par l'usinage d'un évidement (E) en marches d'escalier (Mi) pli à pli ou en pente continue d'un empilement de plis (Pi) de différentes orientations successives, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - prise d'images (IA à ID) selon des éclairages d'orientation différente (12) d'une surface (10a) de la pièce usinée à contrôler (10) en fonction des orientations et des caractéristiques optiques des plis usinés (Pi); - analyse par comparaison des images (IA à ID) pixel par pixel (Po) afin de déterminer l'orientation de chaque pixel (Po) comme correspondant à celle de l'image dans laquelle ce pixel a une brillance supérieure; - si le pixel présente une brillance similaire sur toutes les images (IA à ID), ce pixel (Pr) est attribué à de la résine; - construction d'une cartographie (5) en unité pli de la surface à contrôler (10a) par l'application de l'analyse précédente à l'ensemble des pixels ; - estimation d'un niveau de qualité d'usinage à partir de la cartographie réalisée (5), et - archivage (2m) de chaque cartographie (5) ainsi réalisée en tant que résultat d'usinage. 2. Procédé de contrôle d'usinage pli à pli selon la revendication 1, dans lequel une étape supplémentaire, avant archivage, de détermination par zone, en particulier par marche (Mi), de la répartition surfacique des phases d'orientations de pli et de résine (Ph%) afin de valider en unité pli une tolérance d'usinage prédéterminée. 3. Procédé de contrôle d'usinage pli à pli selon la revendication précédente, dans lequel l'étape supplémentaire est suivie d'une étape complémentaire de détermination de la profondeur usinée en unité pli (P%) à partir de ladite répartition surfacique (Ph%). 4. Procédé de contrôle d'usinage pli à pli selon la revendication précédente, dans lequel la détermination de la profondeur usinée en unité pli (P%) 3058675 12 est établie pour chaque phase par un report graphique (G) de sa répartition surfacique (Ph%) en fonction de différentes profondeurs en unité pli (P%). 5. Système automatisé de contrôle d'usinage de réparation pli à pli (2) d'une surface (10a) d'une pièce en matériau multicouche (10), comportant une 5 unité de traitement numérique de données (23) en liaison avec une commande (12c) de sources lumineuses (12a) et une commande (21c) d'au moins une caméra de prises de vue (21), caractérisé en ce que les sources (12a) sont réparties sur des rampes de lumière linéaires (12) montées sur des murs de lumière adjacents (11a à 11h) orientés successivement pour former un polyèdre 10 régulier (11) fermé autour d'un axe central (Z'Z), la caméra (21) étant agencée sur cet axe central (Z'Z) et étant destinée à enregistre des signaux d'images correspondant à l'éclairage des couples de rampes de sources lumineuses (12) d'orientation opposée sur la pièce à contrôler (10) et activées successivement par la commande (12c), et en ce qu'un convertisseur des signaux d'images (25) est 15 destiné à transmettre des données d'image numériques (IA à ID) à l'unité de traitement numérique (23) pour fournir des informations conformément au procédé de contrôle d'usinage selon l'une quelconque des revendications précédentes. 6. Système automatisé de contrôle d'usinage selon la revendication précédente, dans lequel la caméra (21) et les sources lumineuses (12a) sont 20 fixées sur une table de déplacement en XY (13) asservie par l'unité de traitement (23) pour positionner la caméra (21) et les rampes de lumière (12) afin de réaliser un assemblage d'images élémentaires enregistrées par la caméra (21) lors de l'éclairage des couples de rampes de lumière (12) d'orientation opposées activées successivement par la commande (12c). 25 7. Système automatisé de contrôle d'usinage selon l'une des revendications 5 ou 6, dans lequel l'unité de traitement numérique (23) comporte un module de mémoire (2m) pour archiver les données de brillance, d'orientation des pixels (PO, Pr), de cartographie (5) et d'estimation de niveau de qualité d'usinage issues du traitement des données des signaux d'images. 30 8. Système automatisé de contrôle d'usinage selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel le module de mémoire (2m) de l'unité de traitement numérique (23) comporte également des données de tolérance 3058675 13 d'usinage prédéterminées en fonction du matériau et des caractéristiques mécaniques de la pièce (10). 9. Système automatisé de contrôle d'usinage selon l'une des revendications 5 à 8, dans lequel la bande spectrale des sources lumineuses 5 (12a), les orientations des murs (11a à 11h) et donc des éclairages des rampes de sources lumineuses (12) ainsi que les caractéristiques optiques de la caméra (21), en particulier de filtrage par un filtre polarisé (2b), sont adaptées au matériau multicouche usiné. 10. Système automatisé de contrôle d'usinage selon l'une des 10 revendications 5 à 9, dans lequel le polyèdre (11) des murs de lumière (11a à 11h) est un octogone et les sources lumineuses (12a) sont des diodes électroluminescentes alignées le long de chaque face de cet octogone (11).