Brevet FR3050274A1 — publié le 20171020

Procédé d'analyse topologique d'une pièce composite DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne le domaine du contrôle non destructif (CND) sur des pièces industrielles en matériau composite, notamment dans le domaine de l'aéronautique, à l'aide de volumes tomographiques numériques. Plus précisément, l'invention concerne l'automatisation des méthodes de 10 CND. Le CND est primordial pour contrôler la santé matière des matériaux. Par exemple, les aubes de soufflante sont des pièces critiques qui doivent être contrôlées en intégralité. 15 Les volumes tomographiques numériques sont obtenues à l'aide d'un tomographe dont le générateur de rayons X émet un faisceau traversant la pièce à explorer, avant d'être analysé, après atténuation, par un système de détection. L'image intermédiaire ainsi obtenue est appelée 20 une « projection ». En acquérant une pluralité de projections dans différents plans de l'espace (avec un éventuel prétraitement) et en les recombinant, on obtient un volume tridimensionnel d'un volume contenant la pièce, avec une valeur à chaque voxel en relation avec la densité d'absorption des rayons X. 25 Les matériaux composites, utilisés pour leur résistance et leur légèreté, sont conçus avec un renfort en fibres de carbone noyé dans une résine injectée, à l'aide d'un moule. On parlera de préforme sèche et de préforme (ou pièce) injectée pour désigner la pièce respectivement 30 avant et après injection de la résine. Le renfort en fibre de carbone est constitué de torons, typiquement en carbone assemblés par tissage. Un toron est constitué d'une pluralité de 3050274 2 brins de carbone torsadés. A titre d'exemple, 40 000 brins torsadés sont utilisés par toron. Comme représenté en figure 1, on distingue d'une façon connue dans le domaine général du tissage les torons de chaine 100 et les torons de 5 trame 150. Les torons de chaine 100 forment un ensemble de torons parallèles tendus et les torons de trame 150 forment un ensemble de torons parallèles, disposés orthogonalement ou sensiblement aux torons de chaine 100 et entrecroisés avec ces derniers. Les torons de chaine 100, respectivement de trame 200, forment des couches Cl, C2 sensiblement parallèles. Les anomalies de tissage ou d'injection peuvent prendre plusieurs formes. La figure 2a illustre une boucle : un toron de carbone, de chaine ou de trame, ne suit pas sa trajectoire théorique et forme une boucle à l'intérieur d'une pièce 10. La figure 2b illustre un manque : un toron de carbone, de chaine ou de trame, est absent. La figure 2c illustre un flambage, avec ou sans accumulation de résine. Selon la localisation des défauts, leur proximité ou leur nature, ils peuvent remettre en cause l'intégrité de la pièce composite 10: changement du taux volumique de fibre, modification du ratio chaines 25 trames, etc. ETAT DE L'ART Le CND est généralement effectué par un opérateur qui, à partir du 30 volume tomographique, analyse la pièce 10 plan par plan, dimension par dimension. Outre la longueur de l'analyse pour une seule pièce, qui peut prendre plusieurs heures, on remarque des variabilités intra-opérateur, et inter-opérateurs qui peuvent porter préjudice à la qualité du CND. 3050274 3 Il existe ainsi un besoin de fiabiliser la qualité du CND, en s'affranchissant au maximum de ces variabilités pour améliorer la répétabilité et en augmentant les rendements. 5 PRESENTATION DE L'INVENTION A cette fin, l'invention propose un procédé d'automatisation d'analyse pour le contrôle non-destructif d'une pièce pour aéronautique constituée 10 d'un renfort en torons, ledit renfort comprenant une pluralité de torons de chaine et une pluralité de torons de trame positionnées en couches, ledit procédé utilisant un plan de tissage numérique donné, ledit procédé étant mis en oeuvre par une unité de calcul et comprenant des étapes de : 15 - (E2) Réception d'une image tomographique constituée de voxels correspondant au volume de la pièce, - (E3) Segmentation des voxels de l'image tomographique selon au moins un label correspondant aux torons de chaine ou respectivement aux torons de trame, un voxel se voyant attribué ledit label selon qu'il 20 correspond ou non à un voxel de toron de chaine ou respectivement à un voxel de toron de trame, - (E4) Analyse topologique de la pièce par comparaison des voxels associés audit label avec la modélisation des torons de chaine ou respectivement de trame du plan de tissage numérique, ladite étape d'analyse permettant d'identifier des défauts de fabrication de la pièce. Cette méthode est plus rapide que celle d'un opérateur réalisant cette tâche manuellement, tout en étant plus répétitive (la subjectivité introduite par l'opérateur étant supprimée par l'automatisation). En outre, les coûts sont réduits. L'invention peut comprendre les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison : 3050274 4 - l'étape de segmentation (E3) est effectuée pour les torons de chaine et de trame, de sorte que les voxels correspondant à un toron de chaine se voient attribuer un premier label et les voxels 5 correspondant à un toron de trame se voient attribuer un deuxième label, et dans lequel l'étape d'analyse est effectuée pour les deux types de torons, associés à chaque label, - Le procédé comprend avant l'étape de réception (E2) une étape 10 de traitement (El) de l'image tomographique correspondant à un volume dans lequel est comprise la pièce, ledit traitement générant une segmentation dudit volume en voxels de pièce et en voxels d'air, 15 - L'étape de traitement comprend deux sous-étapes : une segmentation entre les voxels de matière et les voxels d'air, puis génération d'une enveloppe de la pièce pour que tous les voxels d'air localisés à l'intérieur de cette enveloppe, qui sont des voxels complémentaires à ceux de matière, soient considérés comme des 20 voxels de pièce, et non pas comme des voxels d'air extérieurs à la pièce, - l'image tomographique subit lors de l'étape de traitement (El) une étape d'uniformisation et/ou de filtrage du bruit, 25 - le procédé comprend une étape préliminaire (E0) de génération de l'image tomographique à l'aide d'un tomographe, - la pièce peut être une préforme sèche, et la pièce comprend alors 30 un volume complémentaire au volume du renfort qui correspond à de l'air, 3050274 5 - l'étape (E3) de segmentation est effectuée par classement des voxels en fonction de niveaux de gris, préférablement par déconvolution de gaussienne, 5 - l'étape (E3) de segmentation comprend l'intégration de contraintes de formes ou topologiques prédéterminées liées aux formes géométriques des torons et des porosités ou aux inclusions et non inclusions, 10 - la segmentation en toron de chaine et de trame est effectuée à l'aide de filtres directionnels, - l'étape d'analyse topologique (E4) comprend, après isolation des voxels correspondant à un des labels de torons, des sous-étapes 15 de : (A11) identification de formes elliptiques dans un plan de coupe, lesdites formes elliptiques correspondant à des sections de torons, et calcul de leur centre, (Al2) reconstruction tridimensionnelle de torons à partir des 20 centres des formes elliptiques, (A13) comparaison de ladite reconstruction avec le plan de tissage numérique (PT), On parle alors d'analyse topologique à échelle microscopique : chaque toron a un label différent et on compare avec le plan de 25 tissage. Cette identification de chaque toton est permise si la résolution est suffisante (résolution microscopique). - La reconstruction tridimensionnelle est effectuée par suivi de fil ou « tracking » à partir desdits centres, 30 - l'étape d'analyse topologique comprend, après isolation des voxels correspondant à un des labels de toron, des sous-étapes de : (A21) identification des couches de torons, 3050274 6 (A22) analyse des rapprochements ou des écartements entre couches par comparaison avec le plan de tissage numérique, et/ou (A23) analyse des variations des orientations locale des couches par comparaison avec le plan de tissage numérique, et/ou 5 (A24) analyse des épaisseurs des couches par comparaison avec le plan de tissage numérique, On parle alors d'analyse topologique à échelle mésoscopique : les torons ne peuvent pas être isolés individuellement du fait d'une résolution insuffisante. 10 - l'étape d'analyse topologique (E4) comprend une étape d'analyse des voxels lié au volume complémentaire - la pièce est une préforme injectée contenant en outre de la 15 résine, le volume complémentaire correspondant à la résine et les éventuelles porosités et dans lequel la densité volumique de la résine est analysée pour détecter les porosités. un troisième label correspondant au volume complémentaire du renfort, 20 L'invention propose aussi une unité de calcul comprenant des moyens de traitement de données et une mémoire, dans lesquels les moyens de traitement sont configurés pour mettre en oeuvre un procédé tel que décrit précédemment, et dans le lequel le plan de tissage numérique est stockée dans la mémoire. 25 L'invention propose aussi un produit programme d'ordinateur, configuré pour être exécuté par des moyens de traitement de données d'une unité de calcul, mettant ainsi en oeuvre un procédé tel que défini précédemment. 30 En outre, le produit programme d'ordinateur peut comprendre des données relatives au plan de tissage numérique, destiné à être stockées dans une mémoire de l'unité de calcul. 3050274 7 PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront 5 de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels : - La figure 1, déjà présentée, illustre un tissage avec des fils, ou des torons, de trame et de chaine, - Les figures 2a à 2c, déjà présentée, illustrent des défauts de 10 tissage, - La figure 3 illustre un schéma général du procédé, selon des modes de réalisations, - La figure 4 illustre une unité de calcul, - La figure 5 illustre une pluralité de torons de chaine et de trame, 15 arrangés en couches successives, - La figure 6 illustre des couches successives. DESCRIPTION DETAILLEE 20 Le CND peut être appliqué à différentes étapes de fabrication de la pièce 10. La présente description traitera des images tomographiques issues de préformes sèches et des images tomographiques issues de préformes injectées. La présence ou non de résine joue un rôle sur les valeurs de contraste de niveaux de gris NDG. 25 Afin de pouvoir effectuer un contrôle non-destructif à l'intérieur de la pièce 10, une étape préliminaire E0 d'acquisition à l'aide d'un système d'imagerie et de moyens de calcul (non représenté sur les figures) est effectuée. Cette étape permet d'obtenir une image tridimensionnelle de 30 la pièce 10 aéronautique pour visualiser l'intérieur d'un volume. Le volume tomographique V obtenu est constitué de voxels possédant chacun un niveau de gris NDG. La pièce 10 est donc définie à l'intérieur 3050274 8 du volume V par des voxels ayant des niveaux de gris particuliers, l'espace complémentaire correspondant à de l'air. Les traitements qui vont être décrits peuvent faire intervenir un plan de 5 tissage numérique PT, qui sera explicité par la suite. Grâce à ce plan, une analyse topologique peut être effectuée pour identifier les anomalies. La figure 3 illustre différentes étapes d'un procédé conforme à un mode de réalisation de l'invention. 10 Une unité de calcul U1 est prévue pour effectuer les traitements informatiques. Elle comprend des moyens de traitement U2 comme un micro-processeur et une mémoire U3 (voir figure 4). Pré-traitement de l'image 15 Avant de mettre en oeuvre les procédés d'analyse qui seront décrits par la suite, des étapes de traitements El sont préférablement effectuées pour améliorer la qualité des analyses. 20 L'image tomographique subit avantageusement une étape d'uniformisation pour atténuer les artéfacts d'acquisition, de sorte que le niveau de gris de chaque voxel soit proportionnel à la densité de matière de la pièce en ce point. En effet, plus les différents composants de la pièce ont des niveaux de gris NDG similaires et plus les traitements 25 postérieurs seront fiables. Dans un mode de réalisation, l'image tomographique est filtrée pour réduire le bruit de l'acquisition. Un filtre bilatéral, permettant de réduire le bruit sans déplacer ou supprimer les contours de l'image, peut être 30 utilisé, ou encore des filtres : gaussien, morphologique, ou « non local mean » (voir référence [1] en fin de description). 3050274 9 En outre, un masque de la pièce 10 est généré à partir de l'image tomographique, c'est-à-dire qu'une segmentation entre deux classes de voxels, air et pièce, est effectuée. Par exemple, une valeur 0 ou 1 d'un label LO est attribuée à chaque voxel, 0 correspondant à un voxel d'air, 5 1 correspondant à un voxel de la matière de la pièce 10 (ou du volume complémentaire à la pièce - voir paragraphe suivant). Plus précisément, deux sous-étapes sont mises en oeuvre : on segmente entre air et matière, puis on calcule l'enveloppe de la pièce pour que tous les voxels « air » localisés à l'intérieur de cette enveloppe, qui sont 10 des voxels complémentaires à ceux de matière soit considérés comme des voxels de « pièce », et non pas comme des voxels d'air extérieurs à la pièce. On parlera « d'image de la pièce 10 » pour désigner uniquement les voxels de pièce (labélisés L0=1). 15 Un exemple de méthode de segmentation consiste à calculer l'histogramme des niveaux de gris NDG de l'image et à maximiser la variance interclasse de cet histogramme afin de définir le seuil qui sépare les voxels de l'air et ceux de la matière (voir référence [2]). D'autres méthodes de seuillage automatique sont envisageables (voir 20 référence [3]). Après traitement, l'image tomographique constituée de voxels correspondant au volume de la pièce 10 elle-même est récupérée par l'unité de calcul (U1) pour l'analyse topologique suivante (étape E2). 25 Analyse topologique Des étapes E3 nécessaires de la méthode d'analyse automatique consistent à segmenter les différents composants élémentaires de la 30 pièce 10 en différents labels : un label L1 pour les torons de chaine 100, un label L2 pour les torons de trame 150, et un label L3 pour volume complémentaire 200. Ces étapes E3 sont mises en oeuvre par l'unité de calcul U1. 3050274 10 Le volume complémentaire 200 peut correspondre : - à de l'air 210, dans le cas des préformes sèches, - à la résine 220, y compris des porosités 225, c'est-à-dire des 5 bulles d'air de la résine, dans le cas des préformes injectées. L'air 210, la résine 220 et les torons 100, 150 n'ont pas la même densité (dvide REVENDICATIONS1. Procédé d'automatisation d'analyse pour le contrôle non-destructif d'une pièce (10) pour l'aéronautique constituée d'un renfort (50) en torons (100, 150), ledit renfort (50) comprenant une pluralité de torons de chaine (100) et une pluralité de torons de trame (150) positionnées en couches, ledit procédé utilisant un plan de tissage numérique (PT) donné, ledit procédé étant mis en oeuvre par une unité de calcul (U1) et comprenant des étapes de : - (E2) Réception d'une image tomographique constituée de voxels correspondant au volume de la pièce (10), - (E3) Segmentation des voxels de l'image tomographique selon au moins un label (L1, L2) correspondant aux torons de chaine (100) ou respectivement aux torons de trame (150), un voxel se voyant attribué ledit label selon qu'il correspond ou non à un voxel de toron de chaine ou respectivement à un voxel de toron de trame labels (L1, L2, L3), - (E4) Analyse topologique de la pièce (10) par comparaison des voxels associés audit label (L1) avec la modélisation des torons de chaine ou respectivement de trame du plan de tissage numérique (PT), ladite étape d'analyse (E4) permettant d'identifier des défauts de fabrication de la pièce (10). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape de segmentation (E3) est effectuée pour les torons de chaine (100) et de trame (150), de sorte que les voxels correspondant à un toron de chaine (100) se voient attribuer un premier label (L1) et les voxels correspondant à un toron de trame (150) se voient attribuer un deuxième label (L2), et dans lequel l'étape d'analyse (E4) est effectuée pour les deux types de toron (100, 150) associés à chaque label. 3. Procédé selon la revendication précédente, comprenant avant l'étape de réception (E2) une étape de traitement (El) de l'image tomographique correspondant à un volume dans lequel est comprise la 3050274 20 pièce (10), ledit traitement générant une segmentation dudit volume en voxels de pièce et en voxels d'air. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, 5 comprenant une étape préliminaire (E0) de génération de l'image tomographique à l'aide d'un tomographe. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape (E3) de segmentation est effectuée par classement des 10 voxels en fonction de niveaux de gris (NDG), préférablement par déconvolution de gaussienne. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape (E3) de segmentation comprend l'intégration de 15 contraintes de formes prédéterminées liées aux formes géométriques des torons (100, 150) et des porosités (225). 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape d'analyse topologique (E4) comprend, après isolation des 20 voxels correspondant à un des labels de torons (L1, L2), des sous-étapes de : - (A11) identification de formes elliptiques dans un plan de coupe, lesdites formes elliptiques correspondant à des sections de torons, et calcul de leur centre, 25 - (Al2) reconstruction tridimensionnelle de torons à partir des centres des formes elliptiques, - (A13) comparaison de ladite reconstruction avec le plan de tissage numérique (PT). 30 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape d'analyse topologique comprend, après isolation des voxels correspondant à un des labels de toron (L1, L2), des sous-étapes de : 3050274 21 - (A21) identification des couches (C1, C2) de torons, - (A22) analyse des rapprochements ou des écartements entre couches par comparaison avec le plan de tissage numérique (PT), et/ou - (A23) analyse des variations des orientations locale des couches par 5 comparaison avec le plan de tissage numérique (PT), et/ou - (A24) analyse des épaisseurs des couches par comparaison avec le plan de tissage numérique (PT). 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans 10 lequel la pièce (10) est une préforme injectée contenant en outre de la résine (220), un volume complémentaire (200) correspondant à la résine et les éventuelles porosités (225) et dans lequel dans un troisième label (L3) est attribué aux voxels correspondant au volume complémentaire (200) du renfort (50), et dans lequel l'étape d'analyse 15 topologique (E4) comprend une étape d'analyse des voxels du troisième label (L3), et dans lequel la densité volumique de la résine (220) est analysée pour détecter les porosités. 10. Unité de calcul (100) comprenant des moyens de traitement de 20 données (110) et une mémoire (120), dans lesquels les moyens de traitement sont configurés pour mettre en oeuvre un procédé selon la revendication 1 et dans le lequel le plan de tissage numérique (PT) est stocké dans la mémoire (120). 25 11. Produit programme d'ordinateur, configuré pour être exécuté par une unité de calcul (100) et mettre en oeuvre un procédé selon la revendication 1.