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Note de veille - métrologie

EVOLUTION DES SYSTEMES DE MESURE VERS LA PRECISION

L’évolution des besoins de précision a entraîné l’évolution des moyens de mesure. Cette note de

veille présente les dernières innovations en matière de moyens et technologies pour mesurer, avec la

plus grande précision, les pièces fabriquées.

PRECISION, JUSTESSE, FIDELITE, REPETABILITE ?

Avant d’aller plus loin, il faut se poser la question de la signification du mot « précision ».

En vérité, le mot n’existe même pas dans le VIM (Vocabulaire International de la Métrologie) ! La

confusion vient du fait que « precision » signifie en anglais fidélité.

Il est préférable de parler de justesse et de fidélité, la production idéale étant celle d’un process

"juste et fidèle".

En production, un lot de pièces présente toujours une certaine dispersion dans les dimensions des

pièces réalisées. L’objectif est de réduire cette dispersion et de se recentrer sur la cible de façon à ce

que la moyenne des dimensions mesurées soit égale à cette cible. Si aujourd’hui, nous avons 5 μm

(0,005 mm) de tolérance, soit ± 2,5 μm autour de la cible, nous devons garantir une dispersion du

procédé de 5 μm. Mais le moyen de mesure a également sa dispersion et l’incertitude de mesure sur

les types de machine qu’on utilise aujourd’hui est assez proche du micromètre (μm). Si l’on veut

travailler sur des tolérances de ± 0,5 μm avec une

machine qui mesure à 1 μm, le métrologue se trouve

face à un vrai problème et à une vraie question :

quels sont les moyens potentiels à mettre en place

pour réaliser et surtout mesurer des pièces avec ces

tolérances ?

Ni juste, ni fidèle Pas juste mais fidèle Juste mais pas fidèle Juste et fidèle

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NOTION D’INCERTITUDE

Sans développer sur l’incertitude de mesure (de doute dans les mesures obtenues pour les non-

initiés), quelle confiance puis-je placer dans mon système de mesure ?

Si l’on choisit un rapport empirique de 8 entre l’incertitude de mesure et l’intervalle de tolérance,

cela exigerait pour une tolérance donnée de 1 μm que l’incertitude de mesure soit de l’ordre de 125

nm (0,125 μm)… domaine où les systèmes de mesure existant sont peu nombreux !

Pour garantir un niveau acceptable le système de mesure doit être suivi métrologiquement. Une

comparaison à un étalon (étalonnage) permet d’évaluer l’état du système et l’étude d’aptitude

permet, elle, de garantir que le système répond bien aux exigences.

L’INFLUENCE DE L’ETAT DE SURFACE

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Dans les états de surface, décomposés en forme,

ondulation et rugosité, les écarts micro-géométriques,

deviennent très importants quand on souhaite atteindre

une grande précision sur les mesures dimensionnelles.

Avec une tolérance de 1 μm, on voit ici le "poids" de la

rugosité dans l’erreur de mesure…

LE TRAITEMENT DES DONNEES

Les cartes d’acquisition ont évolué fortement ces

dernières années. Alors que l’on parlait encore

récemment de 4.000 points traités pour une

mesure de circularité, aujourd’hui nous sommes

à plus de 100.000 points acquis et analysés.

Cette augmentation d’information devrait

permettre une meilleure connaissance des

produits et donc de réduire le doute issu de la

mesure.

En parallèle il est obligatoire de traiter ces

informations avec un maximum de recul afin de

ne prendre en compte que les informations

pertinentes.

Afin d'isoler certains types de défauts de surface

(rugosité, ondulation, forme), il est possible

d'utiliser des filtres. On détermine pour cela la

fréquence de coupure Fc en fonction du défaut à

observer. Les résultats sont issus de calculs qui

prennent en compte le critère d’association. La

normalisation préconise le critère d’association

minimax mais le plus utilisé est le critère des

moindres carrés minimisant la somme des

distances au carré de chaque point.

Le premier critère oblige d’effectuer des calculs

par itération beaucoup plus longs. Plus le

nombre de points augmente meilleur est la

connaissance de l’élément à mesurer mais

paradoxalement comme la solution n’est pas

unique les calculs peuvent amener à des

solutions aberrantes. Afin de réduire le temps de

traitement, les logiciels effectuent un

prélèvement dans les points de mesure. Le

nombre et la fréquence étant variable, on parle

alors d’échantillonnage.

LES MOYENS DE MESURE DE PRECISION Après avoir évoqué la notion de précision, les méthodes de traitement des points, analysons les

moyens nécessaires pour mesurer, avec la plus grande précision, les pièces fabriquées.

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ISARA 400 : technologie de rupture en métrologie

La machine à mesurer tridimensionnelle la plus précise du marché, pour le moment, est l’Isara®.

Elle est le résultat d’un développement commun entre le Centre des Technologies Industrielles de

Philips (CFT) et IBS Précision Engineering. Le prototype qui se trouve au METAS (LNE suisse) possède

un capteur développé par Mecartex et l’EPFL (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne).

Cette MMT fonctionne sur le principe d’ABBE qui place la règle dans le prolongement de la longueur

à mesurer.

Avec une résolution au nanomètre (10e-9 m = 0,000 000 001 m), ce système de mesure par contact

obtient une incertitude dans le volume de 0,1 μm.

Cependant, l’atteinte d’un tel niveau de précision limite les dimensions des pièces mesurables sur

une telle machine…

Capteur sans contact de précision par courant de Fo ucault

Ces capteurs sans contact offrent une dimension supplémentaire en termes de performances et de

fiabilité. Ils permettent une plus grande certitude dans les mesures de précision.

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Lion Precision propose une gamme complète de systèmes de mesures de technologies capacitives et

inductives (courants de Foucault) de grande précision qui peuvent être intégrés à des moyens de

contrôle afin de permettre d’atteindre une grande précision de mesure.

L'AltiSurf 520 mesure jusqu’aux micro-alésages Altimet, connu pour ses instruments de métrologie des surfaces 3D optiques, propose l'AltiSurf 520

TPR qui est un instrument de mesure sans contact faible force pour les micro-alésages. Il permet la

mesure de l'état de surface et de la forme en micro diamètre

intérieur jusqu'à 100 μm. Les applications de cet instrument sont

la métrologie de pièces complexes de la micromécanique et

l'hydraulique fine présentant des alésages fins hautement

fonctionnels.

Une première de ses applications est celle de la mesure des

trous d'injection ou de pulvérisation à haute pression des nozzles

de l'injection directe des carburants pour moteurs et chaudières,

sprays de pulvérisation des peintures, des produits de

traitement, de chimie ou de l'industrie pharmaceutique, où la

qualité de pulvérisation détermine le rendement énergétique,

écologique et fonctionnel du fluide pulvérisé.

Capteur interférométrique confocal spectral

L’interférométrie à confocale spectrale (Brevet STIL déposé) est une technologie qui combine le haut

niveau de rapport signal / bruit de la configuration confocale avec l’exceptionnelle précision et

résolution de l’interférométrie.

Ces capteurs, qui sont appelés à équiper de plus en plus de machines de mesure de rugosité de

précision offrent de nombreux avantages. Le premier de ces avantages, et non le moindre, est leur

exceptionnelle résolution sub-

nanométrique.

Dotés d’une insensibilité totale aux

vibrations, ces capteurs disposent

d’un rapport signal / bruit plus élevé

que les autres types de capteurs

couramment utilisés.

Ces capteurs permettent également

de mesurer des épaisseurs de

couches minces puisqu’ils peuvent

mesurer des couches d’épaisseur

minimum de 0,4 μm.

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Capteur de mesure 2D haute vitesse TM-3000 KEYENCE

Ce système optique utilise une LED verte et des lentilles télécentriques afin d’appliquer une lumière

LED uniforme sur la cible à mesurer et d’éviter tout effet de « bord » qui rend impossible les mesures

de précision.

La lumière émise par l’appareil de mesure

projette une image de la cible vers le capteur qui

analyse les transitions entre zones claires et

zones sombres pour permettre la mesure en

plusieurs points des dimensions extérieures des

pièces mesurées.

Ce nouveau moyen de mesure offre de

nombreux avantages. Sa structure à distance fixe

entre le capteur et la source lumineuse (il ne

dispose d’aucune motorisation pour faire

évoluer cette distance) contribue à sa précision.

La source lumineuse équipée d’une LED dispose

d’une longue durée de vie. La répétabilité sur

étalon indiquée par le constructeur est de 0.15

μm pour le modèle TM-040. Cette répétabilité

sur pièce a été mesurée à 2.0 μm lors d’une

campagne de tests réalisés par le Centre

Technique.

Machines Multi-capteurs

Les machines multi-capteurs combinent classiquement la

mesure par contact et sans contact. Une des spécificités

de Microvu est la combinaison de deux domaines de la

métrologie qui ne se côtoyaient pas. D’un côté, les

machines 3D de vision utilisées pour des applications de

contrôle dimensionnel en atelier ou en laboratoire. De

l’autre, les machines de mesure des états de surface qui

réalisent une analyse plus fine pour extraire les

paramètres de rugosité et la microtopographie des

surfaces étudiées.

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La machine Vertex de Microvu combine ces deux types de mesure sur une même machine. Capable

de réaliser des mesures par palpage ou par vision sur des pièces, cette machine est dotée d’un

système de mesure de rugosité. Pour effectuer un scanning assez fin, le module de rugosité n’utilise

pas les axes de la machine 3D, mais sa propre table de déplacement.

Le capteur optique confocal du module de rugosité mesure des états de surfaces de Ra supérieur ou

égal à 40 nm, sur une course allant jusqu’à 25 x 25 mm. La gamme de mesure va de 300 μm à 1 mm,

avec une résolution verticale allant de 10 à 300 nm. Mais, même les machines de mesure ou de

production de précision nécessitent d’être périodiquement étalonnées afin de s’assurer de leur

précision et répétabilité de mesure.

Le Laser tracer

Utilisé pour l’étalonnage des machines de mesure 3D mais aussi des machines d’usinage type 5 axes

en production, ce système de mesure est un interféromètre laser qui suit automatiquement un

réflecteur et détermine les distances séparant ces deux composants précisément, et ce, dans toutes

les directions.

Comparativement aux systèmes plus conventionnels, il utilise une sphère de référence en parallèle et

compense ainsi les erreurs mécaniques des axes de rotations

L’utilisation de cette sphère de référence couplée à la résolution de l’interféromètre (0,001 μm)

réduit l’incertitude de mesure, dans le volume à 0,2 μm + 0,3 μm par mètre (et ce jusqu’à 15 m de

distance.

Les capteurs, les machines de mesure ont évolué au cours de ces dernières années. Mettre en

œuvre des machines de mesure de haute précision impose, pour en tirer profit, le respect de

certaines règles. Outre la régulation thermique des locaux dans lesquels les machines de mesure sont

installées, l’étalonnage régulier des moyens de mesure ou de production est essentiel.

Note de veille rédigée par Yann DERICKXSEN

Responsable Laboratoire Métrologie du CTDEC

Avec le soutien du CETIM

Département veille technologique et stratégique