et son procédé de fabrication

ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION

Domaine de l'invention

La présente invention concerne une sonde à ultrasons de mesure par contact d'un objet et son procédé de fabrication. Cette sonde de mesure à ultrasons est particulièrement adaptée au contrôle non destructif d'objets de géométrie complexe, tels que certaines pièces mécaniques par exemple.

La présente invention s'applique notamment au contrôle non destructif d'objets dans les domaines aéronautique, spatial, automobile, ferroviaire, ... Arrière-plan technologique

Il est connu de contrôler des structures notamment en matériaux composites, en vue de détecter de manière non destructive d'éventuels défauts de surface et/ou en profondeur dans ces structures.

On connaît ainsi des systèmes de mesure à ultrasons qui présentent l'avantage d'autoriser des contrôles de structures directement sur des sites de fabrication.

Toutefois, il est nécessaire de déplacer le système de mesure à ultrasons manuellement, typiquement par un personnel qualifié, ou automatiquement. Un guidage ainsi que des moyens de repérage sont alors mis en œuvre afin d'identifier la partie de structure en train d'être mesurée.

En outre, dans le cas de structures présentant une géométrie complexe, il est nécessaire d'effectuer plusieurs balayages avec éventuellement des fréquences de mesure ultrasonores différentes.

Ces opérations sont longues, fastidieuses pour les opérateurs et coûteuses. Par ailleurs, certaines structures notamment dans le domaine aéronautique, doivent pouvoir être contrôlées dans leur intégralité ce que ne permet pas toujours un procédé de contrôle ultrasonore par transmission. En effet, certaines zones de la structure peuvent être inaccessibles pour cette technique de contrôle.

La présente invention vise à pallier ces divers inconvénients en proposant un système de mesure par ultrasons pour le contrôle non destructif d'objets tels que des pièces mécaniques ou structurelles, simple dans sa conception et dans son mode opératoire, autorisant la mesure d'au moins une partie d'un objet de géométrie complexe en un seul balayage.

Un autre objet de la présente invention est un procédé de fabrication particulièrement simple et flexible d'un tel système de mesure par ultrasons.

BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION

A cet effet, l'invention concerne une sonde à ultrasons de mesure par contact d'un objet, ledit objet présentant une surface non régulière.

Selon l'invention, cette sonde à ultrasons comporte des capteurs ultrasonores solidaires d'une première face d'un substrat, la face opposée de ce substrat déterminant une surface de mesure, cette surface de mesure présentant une forme qui est l'empreinte de la surface de l'objet à mesurer de manière à épouser celle-ci lorsque la surface de l'objet est mise en contact avec ladite surface de mesure.

Cette sonde à ultrasons opère ainsi dans le domaine du contrôle ultrasonore par réflexion où un même capteur agit en tant qu'émetteur d'ondes ultrasonores et récepteur des ondes ultrasonores réfléchies par l'objet à analyser, ce capteur étant codé en position.

On entend par "surface de l'objet non régulière" que cette surface de l'objet présente au moins un angle. Cette surface de l'objet peut ainsi avoir une forme en L, en V ou encore en U. A titre de contre-exemple, cette surface de l'objet à mesurer n'est pas une surface strictement plane ou la surface extérieure d'un cylindre, cette dernière étant régulière.

De manière avantageuse, la surface de mesure de cette sonde à ultrasons couvre au moins la moitié de la surface totale de l'objet à mesurer ce qui permet de mesurer en un seul balayage, la partie de l'objet dont la surface extérieure est mise en contact avec la surface de mesure de la sonde. Bien entendu, la surface de mesure présente une forme qui est l'empreinte de la surface de l'objet à mesurer aux tolérances de fabrication près, étant compris qu'elle a été définie par rapport à des côtes théoriques de l'objet à mesurer.

Avantageusement, le substrat présente une épaisseur uniforme.

Dans différents modes de réalisation de cette sonde à ultrasons, la présente invention concerne également les caractéristiques suivantes qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles :

- cette sonde comprend un élément de couplage destiné à assurer une adaptation d'impédance acoustique entre ledit objet et ladite sonde, ledit élément de couplage comprenant une enveloppe telle qu'une membrane, définissant un volume intérieur dans lequel est placé un milieu de couplage liquide.

De préférence, ce milieu de couplage liquide est de l'eau ou un gel de couplage.

A titre purement illustratif, ce gel de couplage ultrasonore est un gel aqueux comprenant des polyols tel que celui commercialisé par la société METALSCAN, rue Désiré Gilot, 71 1 00 Saint-Rémy sous la dénomination Couplant UT 5.

De manière avantageuse, cette enveloppe présente une impédance acoustique sensiblement égale à de celle de l'eau, cette dernière étant de 1 ,5x1 0 ⁶ Pa.s/m. A titre d'exemple non limitatif, cette enveloppe présente une impédance acoustique qui est égale à 1 5% près à celle de l'eau.

De préférence, ledit élément de couplage présente une épaisseur inférieure ou égale à 3 mm.

Outre l'adaptation d'impédance acoustique entre l'objet à mesurer et la sonde à ultrasons, ledit élément de couplage assure également l'ajustement, ou compliance, de la surface de l'objet à mesurer avec la surface de mesure de la sonde à ultrasons, ce qui permet de tenir compte des écarts éventuels liés notamment aux tolérances de fabrication de l'objet.

lesdits capteurs ultrasonores forment un réseau de capteurs céramique piézoélectriques solidaires de ce substrat.

De préférence, ledit substrat est un substrat métallique, un substrat en polyimide ou en matériau composite graphite/époxy. A titre purement illustratif, le substrat métallique est en aluminium, en acier, en acier inoxydable, en titane, en nickel, en cuivre ou autre.

cette sonde comprend un moyen électronique de traitement des signaux électriques fournis par les capteurs ultrasonores lorsqu'ils reçoivent des ultrasons.

L'invention concerne encore un procédé de fabrication d'une sonde à ultrasons pour le contrôle ultrasonore d'un objet par contact, dans lequel on réalise au moins les étapes suivantes:

a) fournir un support présentant une surface interne définissant une surface de mesure de ladite sonde et une surface externe lisse, ledit support ayant été conformé de sorte que cette surface interne soit une empreinte de la surface de l'objet à mesurer de manière à épouser celle-ci lorsque l'objet est mis en contact avec cette surface interne,

b) mélanger une poudre céramique à une solution sol/gel de manière à former une dispersion uniforme,

c) déposer un revêtement contenant ladite dispersion uniforme à la surface externe dudit support par une méthode de dépôt de film mince,

d) cuire ledit revêtement ainsi formé à une température T supérieure ou égale à 100°C pendant un temps T pour former un revêtement céramique piézoélectrique à ladite surface externe,

e) répéter éventuellement les étapes b), c) et d) pour former un bloc céramique piézoélectrique comportant au moins deux revêtements céramique,

f) former au moins une électrode à la surface externe dudit revêtement ou dudit bloc céramique piézoélectrique pour définir un capteur.

Avantageusement, à l'étape c), ledit revêtement contenant ladite dispersion, est déposé de manière uniforme pour obtenir une épaisseur de revêtement céramique égale sur ledit support.

De plus, le premier revêtement contenant ladite dispersion étant déposé sur la surface externe non rugueuse du support, la température de cuisson d'au moins 100°C mise en œuvre à l'étape d) pour cuire chaque revêtement céramique assure une épaisseur finale du revêtement ou du bloc céramique uniforme. Avant l'étape f), on polarise ledit revêtement ou ledit bloc céramique piézoélectrique ainsi formé. Cette polarisation peut être obtenue par un procédé de décharge par effet corona.

A titre d'exemple, à l'étape f), les électrodes peuvent être formées par une pâte de métallisation d'argent.

Dans différents modes de réalisation de ce procédé de fabrication, la présente invention concerne également les caractéristiques suivantes qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles :

- on place sur ladite surface de mesure définie par la surface interne du substrat, un élément de couplage destiné à assurer une adaptation d'impédance acoustique entre ledit objet et ladite sonde, ledit élément de couplage comprenant une enveloppe définissant un volume intérieur dans lequel est placé un milieu de couplage liquide.

De préférence, ce milieu de couplage liquide est de l'eau ou un gel de couplage.

à l'étape f), on réalise plusieurs électrodes à la surface dudit revêtement ou dudit bloc céramique piézoélectrique de manière à former un réseau de capteurs piézoélectriques,

De préférence, ces capteurs sont espacés de manière équidistante.

on maintient ladite poudre céramique dans une plage de 30% à 50% en poids de ladite solution.

Cette poudre céramique est avantageusement sélectionnée dans le groupe comprenant du BIT (Bismuth titane composite), de la silice, de l'alumine, du carbure de silicium, ...

La poudre céramique PZT commercialisée sous la dénomination Pz23 par la société FERROPERM PIEZOCERAMICS, DK-3490 Kvistgàrd, est particulièrement adaptée à la présente invention.

ladite méthode de dépôt de film mince est une méthode de dépôt par pulvérisation,

après l'étape f), on connecte chacun desdits capteurs à un moyen électronique de traitement des signaux fournis par ces capteurs lorsqu'ils reçoivent des ultrasons, avant l'étape f), on contrôle l'épaisseur dudit au moins un revêtement céramique de sorte que le bloc céramique ainsi obtenu corresponde aux fréquences de mesure de ladite sonde,

ledit objet ayant une surface non régulière, on conforme la surface interne dudit support de sorte que cette surface interne soit une empreinte de la surface non régulière de l'objet à mesurer.

La présente invention concerne encore une installation pour le contrôle non destructif de pièces par ultrasons.

Selon l'invention, cette installation comporte deux sondes de mesure à ultrasons telles que décrites précédemment, lesdites sondes étant destinées à épouser au moins une face opposée de cette pièce, au moins une de ces sondes étant mobile de sorte que ces sondes puissent être éloignées l'une de l'autre pour le positionnement ou le retrait de la pièce à mesurer et rapprochées en vue de couvrir intégralement la surface de cette pièce pour assurer son contrôle non destructif en un seul balayage, ou encore en une seule passe.

A titre d'exemple, cette installation comporte, en conséquence, un moyen d'acheminement de la pièce à mesurer et/ou de préhension de cette pièce pour la placer sur la surface de mesure d'une desdites sondes de mesure à ultrasons ainsi qu'un moyen pour déplacer l'autre sonde de mesure à ultrasons par rapport à cette sonde de mesure à ultrasons recevant la pièce à mesurer.

Cette installation de contrôle non destructif peut faire partie d'une chaîne de fabrication de pièces assurant ainsi un contrôle en ligne simple et rapide de ces pièces.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

D'autres avantages, buts et caractéristiques particulières de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre faite, dans un but explicatif et nullement limitatif, en regard des dessins annexés, dans lesquels :

- la figure 1 représente schématiquement une vue éclatée d'une sonde à ultrasons de mesure par contact selon un mode de réalisation particulier de la présente invention,

- la Figure 2 montre un mode de mise en œuvre de la présente invention pour le contrôle non destructif d'une pièce structurale d'un aéronef, DESCRIPTION DETAILLEE DE MODE DE REALISATION DE L'INVENTION

Tout d'abord, on note que les figures ne sont pas à l'échelle.

La Figure 1 montre de manière schématique, une vue éclatée, par souci de clarté, des différents éléments constitutifs d'une sonde à ultrasons de mesure par contact selon un mode de réalisation particulier de la présente invention.

Cette sonde de mesure comprend un substrat 10 réalisé ici dans un matériau métallique tel que l'Aluminium, ce substrat 10 ayant été conformé de sorte que sa surface interne 1 1 soit l'empreinte, aux tolérances de fabrication près, de la surface extérieure d'une partie d'une pièce mécanique à mesurer.

Ainsi lorsque cette partie de la pièce mécanique de géométrie complexe, est placée en contact directement avec la surface interne 1 1 du substrat 10 ainsi conformé, sa surface extérieure épouse la surface interne 1 1 du substrat 10 aux tolérances de fabrication près. A titre illustratif, la conformation du substrat 10 peut être obtenue par emboutissage.

A la surface externe 12 de ce substrat 10 est lié un bloc céramique 13 piézoélectrique comprenant plusieurs couches de céramique piézoélectrique, qui ont été successivement formées.

Chacune de ces couches est obtenue par une méthode de dépôt par pulvérisation d'une solution sol/gel PZT dans laquelle a été dispersée de manière uniforme une poudre céramique piézoélectrique (PZT) dont les particules ont une taille comprise typiquement entre 1 et 80 μιτι, le revêtement ainsi déposé de manière uniforme étant cuit à une température d'au moins 100° C au moyen d'une source d'air chaud telle qu'un pistolet thermique.

Avantageusement, la solution sol/gel PZT agit comme un agent liant la poudre céramique à la surface correspondante sur laquelle le revêtement est déposé.

L'épaisseur de chaque revêtement céramique du bloc 13 est typiquement comprise entre 1 μιτι et 20 μιτι, l'épaisseur totale de ce bloc céramique piézoélectrique, qui est égale ou sensiblement égale sur l'intégralité de ce bloc, étant déterminée de sorte que la sonde à ultrasons fonctionne à une fréquence centrale comprise typiquement entre 1 et 30 MHz (Haute fréquence) ou comprise typiquement entre 20 et 50 kHz (Basse Fréquence). A la surface externe de ce bloc céramique piézoélectrique 13 est placé un ensemble d'électrodes 14, ces électrodes 14 étant espacées régulièrement ou non. L'épaisseur du bloc céramique 13 entre une électrode 14 et le substrat 10 définit un capteur ultrasonore.

Chaque capteur de cette sonde à ultrasons est relié par un câble 16 à un moyen électronique multivoies 17 qui se charge de l'alimentation. Une centrale d'analyse (non représentée) reliée au moyen électronique multivoies 17 assure l'analyse des résultats mesurés par lesdits capteurs ultrasonores de la sonde à ultrasons.

La Figure 2 montre un mode de mise en œuvre de la présente invention pour le contrôle non destructif d'une pièce structurale 18 d'un aéronef.

Cette pièce structurale 18 est incurvée de sorte qu'elle présente une portion arrondie 19 placées entre deux ailes planes. Le système de mesure 20 par contact à ultrasons mis en œuvre pour contrôler la qualité de cette pièce structurale 18 présente une surface de mesure qui est l'empreinte de la surface extérieure de cette pièce structurale 18 de manière à épouser celle-ci lorsque cette surface extérieure de la pièce est mise en contact avec cette surface de mesure.

Un élément de couplage 21 constitué d'une enveloppe telle qu'une membrane, délimitant un volume intérieur dans lequel est placé de l'eau, est interposé entre cette surface extérieure et la surface de mesure du système 20. Cet élément de couplage 21 est destiné à assurer une adaptation d'impédance acoustique entre la pièce et le système de mesure 20.