<figure><img src="image_1.png" /></figure>

# Titre : Contrôle automatisé de matériaux hétérogènes par imagerie TeraHertz

Thierry Antonini¹

¹ Terakalis, 256 rue de Thor, Montpellier, France;
t.antonini@terakalis.com
www.terakalis.com

## Résumé

Les matériaux hétérogènes sont utilisés dans l'industrie notamment pour alléger les structures ou renforcer certaines propriétés mécaniques ou chimiques propres à chacun des matériaux combinés tout en visant l'optimisation des cycles de production. Ils peuvent être déclinés sous la forme d'assemblages collés ou soudés ou sous forme de composites. Ils répondent à des enjeux de plus en plus élevés dans des secteurs exigeants comme l'aérospatial, la défense, les transports ou l'énergie. En raison de la complexité de leurs procédés de fabrication et d'un retour d'expérience limité sur ces matériaux en exploitation, ces derniers nécessitent des moyens de contrôle avancés permettant de détecter leurs défauts **internes** ou d'évaluer les propriétés **internes** qui pourraient notamment affecter leurs performances que ce soit au stade de la production ou en cours d'exploitation.

Les matériaux assemblés peuvent être affectés par différents types de défaut, cohésif ou adhésif, tels que des porosités dans la colle, des défauts de polymérisation, des mauvaises transformations de la matière chauffée ou encore des décollements. Pour les matériaux composites, dans le cadre de leur production, il s'agit notamment de défauts d'imprégnation, de défauts d'alignement ou d'orientation des fibres alors qu'en cours d'exploitation, plutôt de délaminations ou de perte d'épaisseur.

De ce fait, la possibilité d'apporter des garanties supplémentaires sur les performances de ces matériaux en s'appuyant sur un contrôle de leur volume intérieur, suscite un intérêt grandissant pour les techniques de contrôle non destructif et rapide pour qualifier 100% des produits en production et de suivre le vieillissement de ces matériaux en exploitation.

Dans ce cadre, la technologie d'imagerie THz, méthode de contrôle non destructif rapide, sans contact et portative, est une solution prometteuse. Basée sur de nouvelles ondes électromagnétiques, appelées THz, elle associe une capacité de pénétration importante dans la plupart des matériaux diélectriques (i.e. non conducteurs), comme les polymères, élastomères et céramiques, avec une forte sensibilité de détection des hétérogénéités de la matière et de leur anisotropie en proposant une capacité de résolution d'imagerie compatible avec la taille des défauts courants recherchés par le monde industriel.

Une technique d'imagerie THz innovante en mode réflexion ou transmission permet notamment de réaliser des cartographies 2D de leurs hétérogénéités en temps réel, compatible avec du contrôle à haute cadence sur ligne de production ou pour des pièces de grandes dimensions.

Lors de cette communication, TERAKALIS, société spécialisée dans la fabrication d'équipements THz, présentera le domaine des ondes THz, les principales techniques de mesure, un état de la maturité des systèmes THz actuels avec leurs niveaux de performance et limites pour le contrôle de la qualité des assemblages collés ou soudés et aussi des matériaux composites. Elle s'appuiera sur des cas applicatifs automatisés en guise d'illustration dans le cadre de production ou d'exploitation.

## 1. Introduction

Les ondes électromagnétiques Térahertz (THz) correspondent au domaine spectral situé entre l'infrarouge lointain et les hyperfréquences (fig. 1). Elles sont associées à une gamme de fréquences comprises entre 0,1 et 10 THz et à des longueurs d'onde dites submillimétriques situées entre 0,03 et 3 mm. L'énergie des photons Térahertz est de l'ordre du milli électronvolt (meV). C'est une énergie très faible. L'interaction entre les ondes Térahertz et la matière ne peut mettre en jeu que des phénomènes peu énergétiques et sans aucun danger.

Ces ondes ont la particularité de traverser un grand nombre de matériaux opaques aux rayonnements du visible et de l'infrarouge (plastiques, céramiques, composites, textiles, papier, bois, carton...) et de ne pas pénétrer les matériaux conducteurs tels que les métaux et les liquides polaires comme l'eau. Dans le domaine des composites, les fibres de carbone, conductrices, ne sont par exemple pas contrôlables en forte épaisseur. Elles sont
aussi non ionisantes, à la différence des rayons X. De plus, contrairement aux ultrasons, l'air constitue un bon couplant pour le domaine Térahertz. Ainsi, beaucoup de matériaux, notamment composites, peuvent être aujourd'hui étudiés, caractérisés et contrôlés dans leur volume entier, sans aucun endommagement et sans contact par la technologie THz.

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Figure 1: Position du rayonnement THz dans le spectre électromagnétique</figcaption></figure>

Les premiers systèmes d'analyse à destination des laboratoires sont apparus dans les années 2000. Depuis, des améliorations technologiques ont été apportées sur plusieurs plans : fréquences accessibles, gammes de fréquences balayées, fonctionnement à température ambiante, rapidité, stabilité, sensibilité, compacité et coût. Ces évolutions techniques permettent aujourd'hui la conception de systèmes optoélectroniques Térahertz pour répondre à de nombreuses problématiques d'analyse ou de contrôle dans le secteur de la recherche scientifique comme dans celui de l'industrie, sur ligne de production ou en exploitation.

Les systèmes d'inspection par ondes Térahertz sont adaptés au contrôle volumique de matériaux isolants électriques comme les polymères, les élastomères, les céramiques, le papier, le carton, le cuir... Ces matériaux peuvent se présenter sous différentes formes : monolithiques, assemblés par soudage ou collage, composites avec la présence de renforts, hybrides ou encore multicouches dans le cas de revêtements par exemple.

L'inspection de pièces dans leur volume consiste à analyser et contrôler leurs défauts et propriétés internes, dont la nature dépend du type de matériau et du procédé de fabrication en jeu. Les technologies d'inspection par ondes Térahertz utilisent des sources d'émission pour illuminer l'échantillon à analyser, associés à des capteurs pour mesurer toute modification du signal résultant, transmis ou réfléchi par la pièce à inspecter. Grâce à différentes techniques impliquant des sources continues ou impulsionnelles et des détecteurs rapides ou lents, à bande fréquentielle étroite ou large, il est possible de mesurer l'amplitude, la phase et le spectre du signal réfléchi ou transmis par l'échantillon. Pour répondre à ces problématiques, il existe aujourd'hui dans le domaine des

ondes Térahertz trois grandes modalités d'analyse et de contrôle :

## 2. Les principales techniques de mesure

### 2.1. Imagerie THz 2D

L'imagerie volumique en 2D donne la possibilité de cartographier un matériau dans le but de faire apparaître la distribution de défauts ou de propriétés internes dans un plan. Cette modalité d'analyse des pièces utilise en général une fréquence de travail fournie par une source continue dans le domaine THZ, favorisant la capacité de pénétration dans le matériau et la rapidité d'acquisition. La résolution des images ainsi obtenues dépend principalement de cette fréquence de travail. Si elle est basse, elle augmente la capacité de pénétration mais cela se fait au détriment de la résolution. Inversement, une fréquence de travail haute favorisera la résolution mais réduira la capacité de pénétration :

<table><tr><td>Fréquence</td><td>100 GHz</td><td>150 GHz</td><td>300 GHz</td></tr><tr><td>Résolution accessible</td><td>3 mm</td><td>2 mm</td><td>1 mm</td></tr></table>

Le compromis à trouver dépend de la problématique de contrôle, des matériaux et des performances attendues ;

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 2: Imagerie Térahertz 2D d'une pièce composite en fibre de verre (source : société Terakalis)</figcaption></figure>

### 2.2. Mesure d'épaisseurs multicouche THz en temps de vol

La mesure du temps de vol (selon une direction normale à la surface du composant) donne l'épaisseur d'un ou plusieurs matériaux, notamment dans le cas de matériaux multicouches, et renseigne sur les propriétés de l'interface entre deux matériaux, ou dans le cas d'un collage ou d'une soudure. Cette modalité utilise le plus souvent la configuration en réflexion, une source à bande large (continue ou impulsionnelle) et le principe du temps de vol. Ce dernier convertit un signal temporel de type écho
en un calcul de distance. Pour une plus grande précision du calcul d'épaisseur, il est recommandé de calibrer le système de mesure avec des échantillons étalons, un pour chaque matériau à une épaisseur connue, pour une plus grande précision.

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 3: Principe de la mesure par « temps de vol »</figcaption></figure>

## 2.3. Imagerie THz 3D

La combinaison des deux premières modalités correspond à l'imagerie volumique en 3D. Elle fournit des cartographies en trois dimensions d'un matériau, montrant la distribution, selon les trois axes, de défauts ou propriétés internes. Les données acquises sont regroupées dans des images en 3D qui peuvent être visionnées par rendu volumique ou balayage de sections en 2D.

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Figure 4: Imagerie THz « 3D » d'un délaminage présent dans une structure composite (source : société Terakalis)</figcaption></figure>

# 3. Pertinence des TéraHertz pour le CND

Les technologies de contrôle non destructif par ondes TéraHertz sont utilisables pour un grand nombre de matériaux non conducteurs électriques notamment polymères, élastomères, céramiques, sous forme monolithique, composite, multicouche, ou encore assemblés par collage ou soudure. En s'appuyant sur leurs atouts, elles proposent une nouvelle réponse aux problématiques de contrôle de matériaux en environnement industriel.

La principale limite d'utilisation des THz est la présence de matériaux conducteurs électriques sous forme continue dans ces combinaisons de matériaux, que les ondes THz ne peuvent traverser (liner ou grilles métalliques à maillage fin, fibres de carbone en forte épaisseur).

Par ailleurs, d'autres propriétés des ondes THz peuvent être utilisées pour caractériser les propriétés internes des matériaux telles que la cristallinité ou le vieillissement car ces ondes y sont sensibles, les matériaux ayant une réponse spectrale différenciée en fonction de leur arrangement interne.

Les matériaux assemblés peuvent être affectés par différents types de défaut, cohésif ou adhésif, tels que des porosités dans la colle, des défauts de polymérisation, des mauvaises transformations de la matière chauffée ou encore des décollements. La capacité de pénétration des ondes permet se propager à travers un premier matériau pour ensuite sonder la présence d'un cordon de colle ou de soudure à l'interface avec le deuxième matériau. Les caractéristiques dimensionnelles du cordon ainsi que ces propriétés internes peuvent être évaluées par analyse des variations d'amplitude et de phase de l'onde.

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Figure 5: Imagerie THz 2D d'un cordon de colle d'un assemblage polymère/composite (source : société Terakalis)</figcaption></figure>

Les matériaux composites présentent une hétérogénéité interne intrinsèque de par nature, mélangeant des renforts sous forme de charges ou de fibres dans une matrice hôte aux propriétés très différentes. Les contrôles nécessaires en cours de production concernent notamment l'homogénéité de répartition des charges, les défauts d'imprégnation des fibres, les propriétés d'alignement ou d'orientation des fibres alors qu'en cours d'exploitation, ils visent les délaminations ou les pertes d'épaisseur. La forte capacité de pénétration des systèmes d'inspection THz associée à une haute sensibilité de discrimination en fonction de la nature des matériaux leur permettent de répondre à des besoins de contrôle non couverts pas les technologies existantes (Rayons X, Ultrasons ou Infrarouges). De plus, leur caractère non destructif, sans contact, rapide et portatif, leur ouvre à la fois le contrôle
en production à haute cadence ainsi que l'inspection de matériaux en exploitation.

Ci-dessous un tableau de synthèse présentant le niveau de performance des systèmes actuels (*) :

### Imagerie THz

<table><thead><tr><th>Type de matériaux</th><th>polymères, élastomères, céramiques...</th></tr></thead><tbody><tr><td>Capacité de pénétration</td><td>plusieurs cm</td></tr><tr><td>Résolution spatiale XY</td><td>&lt; 1 mm</td></tr><tr><td>Cadence d'acquisition</td><td>&gt; 1m/s</td></tr><tr><td>Sélectivité en Z</td><td>2D, 3D</td></tr></tbody></table>

### Mesure d'épaisseurs multicouches THz

<table><thead><tr><th>Type de matériaux</th><th>polymères, élastomères, céramiques...</th></tr></thead><tbody><tr><td>Capacité de pénétration</td><td>plusieurs cm</td></tr><tr><td>Épaisseur mesurable</td><td>10 µm &lt; &lt; 150 mm</td></tr><tr><td>Cadence d'acquisition</td><td>&gt; 100 Hz</td></tr><tr><td>Précision</td><td>1µm &lt; &lt; 1 mm</td></tr></tbody></table>

## 4. Cas applicatifs de Contrôle automatique de matériaux hétérogènes par ondes THz

Nous présentons ci-après quelques exemples de systèmes de contrôle automatique de matériaux hétérogènes par Imagerie THz, sur des pièces industrielles.

**Cas 1 :** Contrôle automatique de produits semi-finis de type plaque polymères ou composites à base de fibres de verre.

Les principaux défauts détectés concernent les défauts d'imprégnation et de positionnement des fibres dans des plaques dimensions 800x800 mm jusqu'à 10 mm d'épaisseur. La résolution atteinte est de l'ordre de 1 mm.

L'équipement développé permet de réaliser des cartographies 2D et 3D du volume intérieur des matériaux.

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Figure 6: Plateforme d'inspection par imagerie 2D/3D THz pour produits semi-finies polymères ou composites (source : société Terakalis)</figcaption></figure>

**Cas 2 :** Contrôle automatique par Imagerie THz 2D/3D de pièces à géométrie 3D déployé pour des assemblages multi-matériaux collées ou soudées (plastique)

Les principaux défauts détectés concernent pour les assemblages collés, les dimensions des cordons de colle et la présence de porosités. Pour les soudures plastiques, les mauvaises transformations de la matière ainsi que le profil internes des soudures. Les épaisseurs en jeu varient de 4 à 20 mm. La résolution atteinte est de l'ordre de 1 mm.

L'équipement développé permet de réaliser des cartographies 2D et 3D du volume intérieur des matériaux.

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>Figure 7: Inspection robotisée imagerie 2D/3D THz pour pièces à géométrie 3D (source : société Terakalis)</figcaption></figure>

<footnote>(*) ordres de grandeurs donnés à titre indicatif. nécessite des tests pour confirmer le niveau réel de performance</footnote>
## 5. Conclusions

Les technologies THz présentent des aptitudes remarquables pour répondre aux exigences de qualité et productivité de la fabrication des matériaux hétérogènes ainsi qu'aux exigences de leur suivi en exploitation pour compenser le manque de retour d'expérience de ces nouveaux matériaux. En 20 ans, elles sont passées d'une technologie de laboratoire à une technologie déployable sur lignes de production. De nombreux paliers technologiques ont été franchis en termes de vitesse, compacité et robustesse. Des dizaines de lignes de production à haute cadence ont été équipées durant les dernières années, en imagerie ou en mesure d'épaisseurs multi-couches. Les systèmes en place permettent d'inspecter, en continu, de défauts ou de propriétés internes de matériaux non conducteurs électriques, offrant la possibilité d'un contrôle sur 100% des produits. D'autre part, les informations ainsi collectées pourront à terme

constituer des bases de données intéressantes pour la traçabilité des produits et la compréhension de leurs procédés de fabrication.

## References

[1] Ali Rostami, Hassan Rasooli, Hamed Baghban, Terahertz Technology, Fundamentals and Applications – 2010, Springer Link

[2] Thierry Antonini
Les dispositifs térahertz pour scruter le coeur des matériaux
INDUSTRIE & TECHNOLOGIES Cahier technique
N° 1051 - MARS 2022

[3] Frédéric Garet, Jean Louis Coutaz
Af3254 – Ondes Electromagnétiques TeraHertz
Principes et techniques
TECHNIQUES DE L'INGENIEUR - 2014