Brevet FR3120444A1 — publié le 20220909

Procédé de détection de fissures dans une pièce en alliage d’aluminium réalisée par fabrication additive. L’invention consiste essentiellement en une analyse des spectres de résonance ultrasonore (RUS) acquis sur une pièce en alliage d’aluminium réalisée par fabrication additive. En comparant avec des pièces réalisée dans un même matériau mais sans défauts, les inventeurs ont en effet constaté que les spectres acquis sur des pièces défectueuses présentaient des pics de résonance avec des facteurs de qualité Q significativement plus faibles. Figure pour l’abrégé : Fig. 9 Procédé de détection de fissures dans une pièce en alliage d’aluminium réalisée par fabrication additive. La présente invention concerne le domaine général du contrôle non destructif (CND) de pièces, notamment celles réalisées par une technique de fabrication additive. Elle a trait plus particulièrement au contrôle CND de pièces en alliages d’aluminium réalisée par fabrication additive. Le procédé selon l’invention est particulièrement destiné à être mis en œuvre pour des pièces en alliage d’aluminium fabriquées par technique de fabrication additive mettant en œuvre une fusion préférentiellement complète de la poudre au moyen d’un rayonnement laser ou au moyen d’un faisceau électronique. La fabrication additive d’alliage aluminium est aujourd’hui à un stade de développement beaucoup moins avancé que d’autres matériaux, tels que les polymères, les alliages de titane ou les bases nickel. Un des verrous à franchir pour la fabrication additive des alliages d’aluminium est de démontrer que les pièces élaborées peuvent satisfaire à des contraintes techniques élevées, comme par exemple pour satisfaire à une qualification aéronautique ou dans le domaine de l’automobile. Or, il s’avère que pour certaines séries d’alliages connues de l’homme de l’art pour être difficilement soudables (séries 2xxx, 6xxx et 7xxx notamment), une caractéristique particulière des pièces élaborées par fabrication additive est qu’elles sont susceptibles de comporter de nombreuses fissures/microfissures. Cela est montré sur la sur laquelle on peut visualiser la présence de fissures dans un alliage Al 6061 élaboré par fusion sélective par laser (SLM acronyme anglo-saxon pour « Selective Laser Melting »). On précise que la barre d’échelle indiquée sur cette micrographie optique représente une longueur de 200 µm. Ces fissures/microfissures réduisent fortement les performances mécaniques des pièces élaborées. A défaut d’être parfaitement compris en termes de mécanismes, ce phénomène de fissures est bien connu de l’homme de l’art, et est associé à la présence conjointe de structures de solidification colonnaires et de contraintes thermomécaniques. Aussi, pour franchir le verrou évoqué ci-avant, il se pose le problème incontournable de la détection des fissures qui se forment lors de l’élaboration de pièces d’alliages d’aluminium par fabrication additive, en particulier pour les matériaux soumis au phénomène de fissuration à chaud. La méthode a priori la plus évidente et la plus simple pour mesurer la densité d’une pièce, et en particulier vérifier si elle est ou non fissurée consiste à réaliser une ou plusieurs coupes métallographiques dans la pièce : [1]. Avec un polissage et une attaque chimique appropriées, d’éventuelles fissures sont facilement révélées. Cependant, cette méthode est destructive et locale. Une autre technique conventionnellement utilisée pour la caractérisation des pièces élaborées par fabrication additive est la mesure de leur densité par mesure de la poussée d’Archimède : [1]. Cette méthode est relativement simple de mise en œuvre, mais elle est relativement peu précise et nécessite un grand nombre de défauts dans les pièces pour fournir des résultats exploitables. La pycnométrie à l’hélium permet également de mesurer la densité absolue d’une pièce. Cette méthode est probablement plus précise, mais elle est limitée à la caractérisation de pièces de petit volume. De plus, la connaissance de la densité ne permet pas de détecter la présence de fissures internes dans tous les cas. Une technique plus avancée, dans la mesure où elle permet la localisation des défauts est celle de la tomographie aux rayons X : [1]. Un point intéressant est que, de par leur faible densité, les alliages d’aluminium se prêtent bien à la caractérisation par tomographie X. Cependant, la méthode est mal adaptée à la caractérisation de pièces de grande taille, et nécessite un investissement important pour l’acquisition de la source et du détecteur. Par ailleurs, le temps d’acquisition à la pluralité de vues nécessaires à la reconstruction est long. Les techniques mettant en œuvre la propagation des ondes ultrasonores (US) permettent également de caractériser la santé matière des pièces et obtenir des informations sur la structure des pièces élaborées par fusion / solidification. Un résultat connu de l’état de l’art est que les ondes US sont diffractées sur les défauts de structure (joints de grains, fissures…) du matériau, ce qui se traduit par des signaux ultrasonores plus bruités que sur les matériaux non défectueux, voire présentant des échos liés à la localisation des défauts. Une technique particulièrement intéressante est la spectroscopie de résonance ultrasonore (RUS pour « Resonant Ultrasound Sprectroscopy » en terminologie anglo-saxonne). Cette technique RUS est basée sur l’établissement d’ondes stationnaires dans la pièce à tester et sur la mesure d’un certain nombre de fréquences ou pics de résonance de ladite pièce. Utilisée en lien avec une simulation numérique des équations du mouvement, par exemple par la méthode des éléments finis, la technique permet une estimation précise des constantes élastiques des matériaux [2]. Cette technique RUS peut également être utilisée pour la caractérisation des défauts dans la mesure où, comme mentionné ci-dessus, tout défaut de structure va influer sur la propagation des ondes. Plus précisément, sur les pics de résonance, l’influence des défauts peut se traduire par des déplacements, des dédoublements, des élargissements et des variations d’amplitude. Dans des échantillons axisymétriques de géométrie connue, les défauts peuvent même être localisés [2]. La publication [3] adresse le problème de l’effet de fissures localisées de longueur différentes sur le spectre de résonance RUS de plaques de silicium (Si). Plus particulièrement, le traitement est focalisé sur un pic particulier, dénoté A dans la publication, dont on voit qu’il se décale et s’élargit quand la longueur de la fissure augmente. Cependant, cette publication [3] n’adresse pas le problème de l’évaluation de l’état défectueux d’une pièce où peuvent être présents de nombreux défauts microscopiques, par opposition à un défaut macroscopique localisé. Par ailleurs, elle suppose connue avec précision la géométrie de la pièce à tester. Or, comme déjà évoqué, les pièces en alliages d’aluminium élaborées par fabrication additive peuvent avoir en leur sein de nombreuses microfissures. Une autre caractéristique de ces pièces est de présenter un très grand nombre de grains cristallographiques, qu’on associe généralement aux conditions extrêmes de solidification (très forts gradients thermiques, vitesse de croissance très rapide) rencontrées dans les procédés de fabrication additive. Concrètement, la largeur de grains observée est très majoritairement inférieure à 30 µm. Cela est illustré à la , qui une cartographie par diffraction d'électrons rétrodiffusés (acronyme anglo-saxon EBSD pour « Electron Back Scattered Diffraction ») : elle montre la structure de grains dans un alliage Al 6061 élaboré par SLM. On précise que la barre d’échelle indiquée sur cette micrographie optique représente une longueur de 200 µm. Même dans les échantillons très fissurés comme ceux de la , du fait de cette structure cristallographique particulière au procédé de fabrication additive, les joints de grains sont beaucoup plus nombreux que les fissures dans les échantillons [4]. Il existe donc un besoin de trouver une solution de détection de fissures/microfissures dans les pièces élaborées par une technique d’alliage en aluminium, qui permette notamment distinguer de manière sûre les fissures/microfissures et de pallier les inconvénients de l’art antérieur précédemment cité. Le but général de l'invention est alors de répondre au moins en partie à ce besoin. Pour ce faire, l’invention a tout d’abord pour objet un procédé de détection de fissures dans une pièce en alliage d’aluminium réalisée par une technique de fabrication additive, comprenant les étapes suivantes : a/ mise en contact d’un émetteur à ultrasons et d’un récepteur à ultrasons avec la pièce ; b/ émission de signaux de l’émetteur vers le récepteur à travers la pièce ; c/ mesure de la fonction de transfert de signaux entre émetteur et récepteur ; d/ à partir de la fonction de transfert mesurée, détermination d’un spectre à au moins un pic de fréquence de résonance ; e/ détermination du facteur de qualité (Q) pour chaque pic de fréquence de résonance ; f/ comparaison du facteur de qualité déterminé (Q) ou d’une médiane de facteurs de qualité déterminés avec un facteur de qualité de référence (Qref) correspondant à une pièce en alliage d’aluminium; g/ si le facteur de qualité déterminé ou la médiane de facteurs de qualité déterminés est supérieur(e) au facteur de qualité de référence (Qref), alors la pièce est estimée dénuée de fissures inacceptables. Dans l’étape f/, le facteur de qualité de référence (Qref) correspond de préférence à une pièce en alliage d’aluminium réputée de bonne qualité, préférentiellement sans fissures. Ainsi, l’invention consiste essentiellement en une analyse des spectres de résonance ultrasonore (RUS) acquis sur une pièce en alliage d’aluminium réalisée par fabrication additive. En comparant avec des pièces réalisée dans un même matériau mais sans défauts, les inventeurs ont en effet constaté que les spectres acquis sur des pièces défectueuses présentaient des pics de résonance avec des facteurs de qualité Q significativement plus faibles. Cette solution est loin d’avoir été évidente à mettre en œuvre puisque comme expliqué en préambule, l’étude cristallographique d’un alliage d’aluminium issu d’une fabrication additive montre clairement que la densité de joints de grains est beaucoup plus importante que la densité de fissures. Aussi, avec une analyse de signal RUS, on aurait pu s’attendre à ce que l’effet des joints de grains soit largement dominant dans les spectres de résonance. Or, les inventeurs ont pu contre toute attente constater que dans une analyse de signal RUS le rapport pics/bruit apparaît principalement lié aux fissures et que l’analyse des spectres selon l’invention basée sur la valeur du facteur de qualité d’au moins un des pics du spectre de résonance permet sans ambiguïté l’identification des pièces fissurées indépendamment de la structure des grains dans la pièce analysée. Contrairement aux publications de l’état de l’art, en particulier [3], le procédé selon l’invention ne s’intéresse pas aux décalage de pics de résonance par rapport à un état de référence sain. Selon une première alternative avantageuse, l’étape d/ consiste en la détermination du pic de la fréquence de résonance fondamentale de la pièce. Selon une deuxième alternative avantageuse, l’étape d/ consiste en la détermination d’au moins 10 pics de résonance par un balayage en fréquence. Avantageusement, le facteur de qualité de référence (Qref) est au moins égal à 800, de préférence au moins égal à 1000. Avantageusement encore, l’étape d/ est réalisée par un algorithme de seuillage. Selon une variante avantageuse, l’étape e/ consiste en l’ajustement du au moins un pic au moyen d’une fonction Lorentzienne. De préférence, l’étape b/ est réitérée de sorte à déterminer au moins deux, préférentiellement au moins trois, encore plus préférentiellement au moins cinq spectres selon l’étape d/. Le fait de faire plusieurs acquisitions (enregistrements) permet de détecter les éventuelles fréquences de résonance manquantes et vérifier que ce nombre de fréquences manquantes est faible. Selon un mode de réalisation avantageux, le procédé comprend avant l’étape e/, une étape d1/ de fusion des au moins deux spectres déterminés par masquage. Dans le cas où une fréquence manquante a été identifiée, en combinant au moins deux enregistrements et en les fusionnant par masquage. Au-delà du problème des fréquences manquantes, la procédure d’acquisition multiple et de sommation des enregistrements permet d’améliorer le rapport signal sur bruit des spectres de résonance. L’invention a également pour objet un système de détection de fissures dans une pièce en alliage d’aluminium réalisée par une technique de fabrication additive, comprenant : - un émetteur à ultrasons et un récepteur à ultrasons; - un amplificateur relié au récepteur ; - un analyseur de spectres relié à la fois à l’émetteur et au récepteur, pour la mesure de la fonction de transfert entre l’émetteur et le récepteur ; - une unité de traitement électronique reliée à l’analyseur de spectres, l’unité de traitement électronique étant configurée pour mettre en œuvre le procédé tel que décrit précédemment. L’invention a également pour objet un produit programme d’ordinateur pour la mise en œuvre du procédé de détection mentionné ci-avant. L’invention a enfin pour objet un procédé de contrôle non destructif (CND) d’une pièce en alliage d’aluminium réalisée par une technique de fabrication additive, comprenant une étape de mesure de la densité de la pièce par une technique de mesure de la poussée d’Archimède avant ou après la réalisation du procédé de détection mentionné ci-avant. Les avantages de l’invention sont nombreux parmi lesquels on peut citer : au moyen d’un contrôle ultrasons non destructif, détection pour estimer de manière fiable si des pièces en alliage d’aluminium élaborées par fabrication additive sont ou non fissurées ; procédé rapide et simple à mettre en œuvre ; possibilité de mettre en œuvre le procédé directement en sortie d’un procédé de fabrication additive sans préparation préalable ; procédé complémentaire avec un autre procédé de contrôle non destructif de pièces, en particulier une technique de mesure de la poussée d’Archimède. L’invention peut être envisagée pour toutes applications et domaines industriels mettant en œuvre les alliages d’aluminium, notamment dans les secteurs de l’aéronautique et de l’automobile. Plus particulièrement, on peut envisager le contrôle non destructif d’échangeurs réacteurs réalisés en fabrication additive par l’intermédiaire d’un procédé selon l’invention. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée, faite à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures suivantes. la est une micrographie optique montrant la présence de fissures dans un alliage Al 6061 élaboré par SLM. la est une cartographie par diffraction d'électrons rétrodiffusés EBSD de la structure de grains dans un alliage Al 6061 élaboré par SLM. la est une vue schématique d’un système pour la mise en œuvre du procédé de détection de fissures selon l’invention. la est une reproduction photographique d’une partie du montage des capteurs du système selon l’invention sur un échantillon en alliage d’aluminium à analyser. la une reproduction d’un spectre de pics de résonance obtenu après extraction de pics en fonction des fréquences, grâce au procédé de détection selon l’invention, le spectre obtenu étant superposé à celui de la mesure d’origine. la est une reproduction des facteurs de qualité des pics selon la . la est une reproduction des amplitudes de pics selon la . la montre les spectres de deux enregistrements distincts et leur fusion par masquage. la montre les courbes de distribution de facteurs de qualité pour différents échantillons en alliage d’aluminium analysés par le procédé selon l’invention. Procédé de détection de fissures dans une pièce en alliage d’aluminium réalisée par une technique de fabrication additive, comprenant les étapes suivantes : a/ mise en contact d’un émetteur à ultrasons et d’un récepteur à ultrasons avec la pièce ; b/ émission de signaux de l’émetteur vers le récepteur à travers la pièce ; c/ mesure de la fonction de transfert de signaux entre émetteur et récepteur ; d/ à partir de la fonction de transfert mesurée, détermination d’un spectre à au moins un pic de fréquence de résonance ; e/ détermination du facteur de qualité (Q) pour chaque pic de fréquence de résonance ; f/ comparaison du facteur de qualité déterminé (Q) ou d’une médiane de facteurs de qualité déterminés avec un facteur de qualité de référence (Q ref ) correspondant à une pièce en alliage d’aluminium; g/ si le facteur de qualité déterminé ou la médiane de facteurs de qualité déterminés est supérieur(e) au facteur de qualité de référence (Q ref ), alors la pièce est estimée dénuée de fissures inacceptables. Procédé selon la revendication 1, l’étape d/ consistant en la détermination du pic de la fréquence de résonance fondamentale de la pièce. Procédé selon la revendication 1, l’étape d/ consistant en la détermination d’au moins 10 pics de résonance par un balayage en fréquence. Procédé selon la revendication 2, le facteur de qualité de référence (Q ref ) étant au moins égal à 800, de préférence au moins égal à 1000. Procédé selon la revendication 3, la médiane des facteurs de qualité mesurée sur l’ensemble des pics de résonnance étant au moins égale à 800, de préférence au moins égale à 1000 Procédé selon l’une des revendications 2 à 5, l’étape d/ étant réalisée par un algorithme de seuillage. Procédé selon l’une des revendications précédentes, l’étape e/ consistant en l’ajustement du au moins un pic au moyen d’une fonction Lorentzienne. Procédé selon l’une des revendications précédentes, l’étape b/ étant réitérée de sorte à déterminer au moins deux, préférentiellement au moins trois, encore plus préférentiellement au moins cinq spectres selon l’étape d/. Procédé selon la revendication 7, comprenant avant l’étape e/, une étape d1/ de fusion des au moins deux spectres déterminés Système (1) de détection de fissures dans une pièce en alliage d’aluminium réalisée par une technique de fabrication additive, comprenant : un émetteur à ultrasons (2) et un récepteur à ultrasons (3); un amplificateur (4) relié au récepteur ; un analyseur de spectres (5) relié à la fois à l’émetteur et au récepteur pour la mesure de la fonction de transfert entre l’émetteur et le récepteur; une unité de traitement électronique (6) reliée à l’analyseur de spectres, l’unité de traitement électronique étant configurée pour mettre en œuvre le procédé selon l’une des revendications 1 à 8. Produit programme d’ordinateur pour la mise en œuvre du procédé selon l’une des revendications 1 à 8 lorsque ledit programme est exécuté sur un processeur/ordinateur. Procédé de contrôle non destructif (CND) d’une pièce en alliage d’aluminium réalisée par une technique de fabrication additive, comprenant une étape de mesure de la densité de la pièce par une technique de mesure de la poussée d’Archimède avant ou après la réalisation du procédé selon l’une des revendications 1 à 8.