Les Matériaux Composite Carbonés

fond de la pice soit sur un dfaut. La prsence dundfaut engendre la rflexion dune partie de lnergiedu faisceau ultrasonore. Cela se traduit par lappari-tion dun signal lectrique sur lchogramme dont laposition est fonction de la profondeur du dfaut dansle matriau.

TUDES ET RECHERCHE

31I MAI-JUIN 2011 I SOUDAGE ET TECHNIQUES CONNEXES

LES MATRIAUX COMPOSITESCARBONS

FABRICATION, DFECTOLOGIE ET CONTRLE NON DESTRUCTIF

FABIEN LEPILLER, GALLE FRAMEZELLE

( INSTITUT DE SOUDURE)

Cette publication fait suite larticledu mme titre paru dans le STCvol. 65 n 3/4 de 2011.

Institut de Soudure Recherche et Enseignement Plate-forme Contrle Non Destructif 4, boulevard Henri Becquerel,57970 Yutz (France).

4. LE CONTRLENON DESTRUCTIFDES STRUCTURESCOMPOSITES ARONAUTIQUES

Du fait de lessor des matriaux composites dans ledomaine de laronautique, et de la ncessit dassu-rer lintgrit de ces structures, de nombreux travauxont t raliss ces dernires dcennies pour exploi-ter des mthodes de contrle non destructif adaptes ces matriaux. La technologie ultrasonore est laplus rpandue du fait des diverses variantes dappli-cations. Les techniques optiques comme la shearo-graphie, et la thermographie infrarouge trouventaussi leur place dans de nombreuses applicationsindustrielles notamment du fait quelles permettentdassurer un contrle global plus rapide.Ces diffrentes techniques de contrle, passesen revue dans les sections suivantes, offrent desrsultats souvent complmentaires et permettent decaractriser les dfauts avec une grande prcision.

4.1 LA TECHNOLOGIE ULTRASONORE MONO-LMENT

Le contrle ultrasonore est bas sur la propagationdondes ultrasonores (transmission et/ou rflexion) travers un matriau et sur lvaluation des signauxrsultant de linteraction de londe avec une disconti-nuit du matriau. En effet, la prsence dun dfautengendrera des perturbations sur le signal li lapropagation de londe. La mthode la plus classiquepour effectuer un contrle ultrasonore utilise des tra-ducteurs mono-lment.

4.1.1 PrincipeLe capteur ultrasonore mono-lment est composdune pastille pizolectrique qui transforme lner-gie acoustique en nergie lectrique et inversement.Associ un gnrateur, plus communment appelposte ultrasonore conventionnel, ce capteur met desondes ultrasonores.Dans le cas dun contrle ultrasonore par chogra-phie (Figure 25), le mme capteur met et reoit desondes ultrasonores qui se rflchissent soit sur le

Figure 25 :Contrle ultrasonore par chographie. Zonesaine ( gauche) ; Zone dfectueuse ( droite).

Figure 26 :Contrle par transmission. Zone saine( gauche) ; Zone dfectueuse ( droite).

Dans le cas dun contrle par transmission (Figure26), deux traducteurs sont utiliss au lieu dun. Lunfonctionne en metteur, lautre en rcepteur. Pour unrsultat optimum, les deux traducteurs doivent treplacs lun en face de lautre de part et dautre de lapice. La prsence dun dfaut, pour cette configura-tion, attnue lnergie des ondes ultrasonores et setraduit sur lchogramme par lattnuation voire ladisparition du signal [1].

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bout du bras des deux robots poly-articuls. Lesdplacements des robots sont synchroniss afin degarder les deux buses coaxiales. Lnergie transmiseest alors gradue selon une chelle de couleur quipermet de mettre en vidence rapidement les zonesdfectueuses. La Figure 30 montre un exemple decartographie C-scan (vue de dessus de la pice)obtenu avec ce systme.Cette cartographie globale de la pice permet demettre rapidement en vidence les dfauts ainsi queleurs positions. Ceci constitue un support visuelessentiel dans le suivi de la pice tout au long de sadure de vie.De plus, ce systme permet de contrler des picescomplexes (Figure 31) grce son concept offrant lesuivi de profil des pices. Cet avantage est procurpar la poly-articulation du dplacement suivant destrajectoires dfinies par CAO. De ce fait, de nombreu-ses pices complexes peuvent tre inspectes en uneseule programmation et sans perte de donnes. Eneffet, ce concept permet dobtenir des cartographies2D correspondant un dvelopp du profil de lapice et non une projection.Comme prsent en Figure 31, la flexibilit de cetteinstallation, de par sa robotisation, permet desadapter des pices de plus en plus complexes etvolumineuses, reprsentatives de nombreuses appli-cations dans les domaines de laronautique. Cettetechnologie permet donc de rpondre parfaitementaux attentes des industriels en termes de cot etdlais.

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32 SOUDAGE ET TECHNIQUES CONNEXES I MAI-JUIN 2011 I

4.1.2 ApplicationsLe contrle ultrasonore mono-lment au contactdune pice est utilis majoritairement pour la dtec-tion de dlaminages et de corps trangers dans lesstructures monolithiques. De plus, cette techniqueest galement efficace pour la dtection de dcol-lements entre la peau carbone et le NIDA (niddabeilles) ainsi que pour la mesure dpaisseur.Dans tous les cas, la mise en uvre du contrle estralise partir de matriels vrifis (poste ultra-sonore + traducteur 10 MHz) prsents en Figure 27.

temps entre lcho dmission A et celui du dfaut C.Enfin, les dfauts sont relevs sur des PV de contrleo seront prciss leurs localisations et leursnatures.Concernant la mesure dpaisseur, la mthodologieest identique celle utilise pour dterminer la pro-fondeur dun dfaut la diffrence que la mesure detemps seffectue entre deux chos de fond succes-sifs. Il est possible galement dadapter cette tech-nique sur des zones complexes (rayons, coudes, etc.)et de vrifier le nombre de plis de carbone consti-tuant la pice car chacun de ces plis gnre un chode rflexion de faible nergie D. Nanmoins, cettetechnique ne permet pas lobtention de cartographiesde la pice entire. Pour ceci, une autre techniqueautomatise base sur le mme principe physiqueest utilise. Il sagit du contrle ultrasonore enimmersion ou par jets deau.

4.2 LE CONTRLE PAR IMMERSION :C-SCAN JET DEAU

4.2.1 PrincipeBas sur la mme physique que la technique ultra-sonore conventionnelle, le contrle par immersion(Figure 29) ncessite le plus souvent dtre configuren transmission. Dans le cadre dune immersiontotale, la pice et les traducteurs sont entirementimmergs. Le couplage par jets deau permet quant lui de nimmerger que les traducteurs et de projeterde leau localement sur la pice. Pour cela, deuxbuses jet deau sont places prcisment en vis--visafin de permettre la propagation dondes ultrasono-res. Une buse intgre le traducteur metteur, lautre,le traducteur rcepteur. Dans les deux cas, les dpla-cements raliss pour linspection de la pice entiresont automatiss et cods ce qui permet lobtentiondune cartographie 2D.

4.2.2 ApplicationsDans le cadre de lapplication jet deau utilise chezComposite Integrity [2], chaque buse est fixe au

Figure 27 :quipements de contrle ultrasonore mono-lment manuel (poste ultrasonore, couplant,traducteur).

Chaque zone est contrle depuis une seule face dela pice inspecter. Comme expliqu ci-dessus,lanalyse seffectue sur lobservation des variationsde lcho de fond de la pice ainsi que sur lven-tuelle apparition dun cho intermdiaire correspon-dant des rflecteurs situs dans lpaisseur. LaFigure 28 met en vidence les rponses ultra-sonores obtenues sur une zone saine et sur unezone dfectueuse dune pice monolithique lamine.Cet exemple montre que la prsence dun dfautdans lpaisseur de la pice engendre un cho signi-ficatif C et une diminution de lamplitude de lchode fond B. De plus, suite un talonnage sur unepice de rfrence, il est possible de dterminer laprofondeur de ce dfaut partir de lintervalle de

Figure 28 :Rponses ultrasonores rsultant dun contrle sur une pice monolithique carbone(zone saine gauche et zone dfectueuse droite). A correspond lcho dmission,B lcho de fond, C lcho engendr par le dfaut et D aux chos lis aux plis de carbone.

Figure 29 :Exemples de systme ultrasonore immersion( gauche) et jet deau ( droite).


4.3 LA TECHNOLOGIE MULTI-LMENTS :LE PHASED ARRAY

Le contrle non destructif ultrasonore a d voluerpour sadapter aux cadences de productions indus-trielles. Cest dans cette optique que sest dvelop-pe la technologie phased-array ou multi-lments.Cette technique permet non seulement un gain detemps pour contrler la totalit dune pice par


LES MATRIAUX COMPOSITES CARBONS

cun tre pilot indpendamment. Tous ces lmentspeuvent tre considrs comme une source linairedune onde cylindrique, ce qui permet par le phno-mne dinterfrences constructives et destructives,de gnrer un front dondes [4].En pilotant lectroniquement chacun des lments,cette technologie permet diffrents rglages tels quele balayage, la focalisation et la dflexion lectro-nique [5]. Il est possible galement de combiner cesdiffrents rglages pour certaines applications. Lefront dondes peut alors tre retard et synchronisen phase et en amplitude de faon crer un fais-ceau donn selon la configuration du contrle.Par rapport la technologie mono-lment, le traduc-teur multi-lments permet de rduire la zone morteet augmente la rsolution. La rapidit du contrle estquant elle obtenue grce un multiplexage lectro-nique qui permet de remplacer un balayage mca-nique. De nombreuses configurations peuvent ainsitre explores sans quil ne soit ncessaire de dpla-cer le traducteur.En fonction des problmatiques, les traducteursmulti-lments peuvent adopter diffrentes gom-tries [5] (linaire, annulaire, matricielle et circulaire)qui sont prsentes en Figure 34.

rapport la technologie mono-lment, mais elleaugmente galement la fiabilit de linspection enamliorant linsonification des endroits difficilementaccessibles comme peut le montrer la Figure 32 [3].

4.3.1 PrincipeLe principe de la technologie phased array (Figure 33)repose sur lutilisation de traducteurs dcomposs enlments pizolectriques individuels pouvant cha-

Figure 30 :Cartographie dune prouvette talon monolithique. Les zones bleues mettent en vidence la prsencede dfauts.

Figure 31 :Contrle dune pice complexe par ultrasons jet deau. gauche, la pice relle (les flches blanchesreprsentent les pentes de la surface) et sa cartographie ultrasonore droite.

Figure 32 :Balayage multi-lments.

Figure 33 :Principe, bas sur les phnomnes dinterfrences, dun traducteur multi-lments.

1 2 3a 3b 4

Figure 34 :Exemples de gomtrie des traducteursmulti-lments (1 : linaire, 2 : annulaire,3a et 3b : matriciel, 4 : circulaire).

Quelle que soit la gomtrie des traducteurs, ilsdoivent rpondre aux critres suivants :- Les lments ne doivent pas gnrer sur les l-ments voisins de vibrations dues un couplageacoustique ou lectrique.- Les performances des lments doivent tre lesplus proches possibles de manire assurer uneconstruction de faisceau homogne.


4.3.2 ApplicationsLe contrle ultrasonore multi-lments peut-tre misen uvre la fois en production et en service. Il per-met de dtecter dans les matriaux composites denombreux dfauts tels que les dlaminages, les fis-sures, les dcohsions fibre/matrice, les manques defibre, la corrosion et les dommages suites unimpact [6, 7]. La Figure 35 prsente quelques rsul-tats obtenus par lIS dans le cadre de ces travaux.Afin damliorer ces rsultats, Lane et al. [8] proposentdutiliser la technique phased array pour obtenir desimages 3D de dfauts lintrieur dune pice. Lecontrle est effectu avec un capteur matriciel (2D),qui permet dorienter le faisceau ultrasonore danstoutes les directions. Cependant, les rsultats obtenusmontrent quil y a une perte de sensibilit due la dis-torsion volumtrique de limage. Un modle analytiquea alors t utilis pour corriger les images et permetdobtenir des rsultats avec une prcision de +/- 2o.Ensuite, une autre technique base sur la techniqueSAFT (Synthetic Aperture Focus Technique) [9] a tdveloppe. La premire tape consiste mettreen uvre une nouvelle technique base sur le prin-cipe du phased array, le Sampling Phased Array

(SPA) [10]. Le SPA (Figure 36) consiste mesurerlmission dondes lmentaires de chaque lmentdu traducteur pour reconstruire le signal quelque soitlangle ou le point de focalisation. Par comparaisonavec la mthode traditionnelle, cette techniqueamliore la qualit de linformation, la rapidit decontrle, sa flexibilit dapplication pour les contrlesparticuliers.La seconde tape consiste reconstruire les images partir des donnes enregistres. Pour cela, uneanalyse des A-scans, base sur le calcul du temps deparcours entre les lments metteurs et rcepteurset des amplitudes des chos des rflecteurs prsentsdans la pice, est effectue. Par consquent, il estpossible de raliser virtuellement un balayage angu-laire et des focalisations en diffrentes profondeursaprs lacquisition des donnes. Non seulement ladure du contrle est significativement rduite par lavirtualisation du contrle, mais la focalisation dans lechamp proche augmente la sensibilit et la rsolu-tion [11]. Une comparaison avec un essai en ultra-sons conventionnels est donn en Figure 37.Outre ces avantages, la technique REserve PHAseMATching (REPHAMAT) dveloppe partir des don-

nes issues de la combinaison des mthodes SPA etSAFT permet damliorer la dtection des dfautsdans les milieux htrognes et anisotropes tels queles matriaux composites. Cette mthode consiste prendre en compte le fait que les caractristiquesacoustiques (vitesse de phase et vitesse de groupe)varient en fonction du milieu htrogne et aniso-trope (caractris par sa matrice dlasticit) [12]. Lesvitesses sont calcules en fonction des constanteslastiques, le temps de vol est ensuite calcul partrac de rayons ou grce des logiciels de simula-tion. Enfin la reconstruction 2D ou 3D seffectue avecla mthode SAFT.

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Figure 35 :Cartographies obtenues par phased-array sur deux prouvettes talons. Dtection de dcollementspeau/NIDA ( gauche) puis de dlaminages ( droite, Bscan et Cscan).

Figure 36 :Principe de la technique du Sampling Phased-array.

Figure 37 :C-scans obtenus par contrle en immersiondun matriau composite type CFRP, en phasedarray conventionnel (gauche) et en modeSampling Phased Array (droite).

4.4 GNRATION DONDESULTRASONORES PAR LASER

Le contrle de matriaux composites peut savrerdifficile pour des structures gomtries complexes.Lintrt du laser ultrasonore rside dans sa capacit dtecter des dfauts, dans des structures de formesirrgulires comme par exemple la pice prsente enFigure 38 [13].Sa rapidit dexcution, son application sans contactet la maniabilit pour le contrle de pices gom-tries particulires sont ses principaux atouts [14].

4.4.1 PrincipeLe contrle non destructif ultrasonore gnr parlaser, prsent en Figure 39, est bas sur linteractionde deux faisceaux laser la surface du composant. Unpremier laser met de brves impulsions sur la sur-


face de la pice qui engendrent lapparition dondesultrasonores. Londe ultrasonore gnre se propage lintrieur du matriau, et se rflchit soit sur lefond de la pice, soit sur un dfaut. Le mouvementprovoqu la surface par londe rflchie engendreune variation de frquence de la lumire rtrodiffusdu second laser qui dtecte les ondes. Le signal estensuite dmodul puis transform en signal lec-trique par lintermdiaire dun systme optique. Lesignal lectrique est alors analys par un systmequivalent au contrle ultrasonore mono-lment [14].

4.4.2 ApplicationsPour le contrle des matriaux composites, la tech-nique du laser ultrasonore est notamment utilise pourdtecter des dfauts tels que des fissures, des dlami-nages ou encore des porosits. Focke et al. [13] ontexpriment cette technique sur un matriau compo-site (CFRP), o des trous fond plat de diamtres diff-rents ont t percs diffrentes profondeurs. Unecartographie est prsente en Figure 40.

Une pice de gomtrie complexe a galement tcontrle. Elle prsente des trous de diffrentsdiamtres situs dans langle droit de la pice. Lersultat ainsi que la pice relle sont exposs dans laFigure 41.Le laser ultrasonore peut galement tre appliqu enmilieu industrie (Figure 42). Honlet [14] propose dedtecter tous types de dfauts en utilisant cettetechnique, dans un matriau composite. Le systmeest la fois adapt pour le contrle de petitespices, puisquil fournit une rsolution de 0,25 mm,

mais aussi de grandes pices telles que des voiluresdavion.

4.5 TECHNOLOGIE ULTRASONORECOUPLAGE LAIR

Les techniques ultrasonores ncessitent gn-ralement un couplant, de leau ou du gel, afin dassurer la transmission du signal ultrasonore. Lecontrle ultrasonore de structure en matriaucomposite peut alors savrer dlicat en prsencedobstacles la surface de la pice. Afin de saf-franchir de ces contraintes gomtriques et environ-nementales, une solution consiste utiliser un cou-plage lair.

4.5.1 PrincipeLes techniques de couplage par lair, tout commepour le couplage eau, sont nombreuses. Il est possi-ble de cartographier une pice de la mme faonquavec la technique par immersion, mais en saffran-chissant du couplage, tout comme mesurer la varia-tion de lamplitude dondes guides travers lematriau. Cependant, ces techniques utilisent destraducteurs ultrasonores spcifiques.



Figure 38 :Exemple de pice gomtrie complexeen matriau composite.

Figure 39 :Principe de fonctionnement du laser ultrasonore.

Figure 40 :C-scan obtenu par ultrasons gnrs par laser.

Figure 42 :quipement Laser ultrasonore pour le contrle industriel : LUIS 74714.

Figure 41 :Pice complexe avec trous sur langle droit (gauche) ; C-scan du contrle de la pice par laserultrasonore (droite).


Concernant les ondes guides, les ondes de Lamb ontpour particularit de se propager dans toute lpais-seur du matriau. La propagation dpend des propri-ts physiques et mcaniques de la pice [15]. Deuxconfigurations de contrle se distinguent. La premireconfiguration (Figure 43.a) ncessite deffectuer lecontrle en disposant les traducteurs en mode met-teur rcepteur (ou pitch-catch) [16]. Dans la secondeconfiguration (Figure 43.b), les traducteurs sont orien-ts dans la mme direction, o le rcepteur capte lesondes de Lamb diffuses et rflchies par le dfaut.

4.5.2 ApplicationsLa technique ultrasonore couplage air est employedans le domaine aronautique et permet de dtecter,dans les matriaux composites, des dfauts de typefissures [15], dlaminages ou dommages suite unimpact [16, 17].Des prouvettes en carbone/poxy monolithiquesavec inserts en tflon de diffrentes tailles ont ttestes par la mthode transmission. La Figure 45prsente quelques rsultats.Cette Figure 45 montre la possibilit de cette tech-nique de dtecter des dlaminages (indications enbleu) dans les composites monolithiques.

Le premier contrle fait suite un impact de 1J surune pice sandwich (Figure 47). La propagation duneonde de frquence de lordre de la centaine de kHzpermet la dtection et la quantification des dfauts.Dans ce cas, limagerie B-scan montre la profondeurde lindication.La mme configuration a t adapte sur une autrepice sandwich afin de dtecter des dcollementspeau/me. Pour cela, un petit systme a t dve-lopp afin de coder la cartographie en deux dimen-sions. Le rsultat obtenu en Figure 48 est comparable une inspection ultrasonore utilisant de leau commecouplage.

4.6 LA SHEAROGRAPHIE

La shearographie est une technique interfrom-trique galement appele interfromtrie diffren-tielle ou cisaillographie.

4.6.1 PrincipeLa shearographie repose sur linterfrence dedeux ondes lumineuses cohrentes diffuses pardeux points voisins de la pice contrler. Dansle plan du capteur optique (matrice CCD), deuximages de speckle (rugosit du matriau rvlesous lumire cohrente) superposes sont alorsobserves. Ces deux images sont lgrement dca-les ce qui permet une mesure diffrentielle dephase.Pour obtenir ce dcalage, diffrents dispositifsoptiques peuvent tre utiliss, mais le plus frquentest linterfromtre de Michelson (Figure 49) [18]. Cetinterfromtre [19] permet de rgler le dcalage

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Figure 43 :a : mthode pitch and catch ;b : mthode de diffusion et rflexion(T : metteur ; R : Rcepteur).

En mode pitch-catch, le dfaut soppose la propaga-tion de londe mise. Par consquent, le rcepteur neperoit quune faible partie de londe. La mesuredpend de la distance entre les deux traducteurs, etle dimensionnement des dfauts est approximatif. Acontrario, dans la seconde configuration, en prsencedun dfaut, le rcepteur dtecte un signal provenantde la diffusion et de la rflexion du signal. Cetteseconde mthode offre davantage de prcision etpermet daprs les auteurs ainsi de dimensionneravec prcision les dfauts [16]. Un exemple designaux peut tre observ dans la Figure 44.

Figure 44 :Exemple dondes collectes, en modepitch-catch (a) et par diffusion et rflexionsur dfaut (b).

Figure 45 :Contrle par ultrasons couplage airen transmission. Cartographie C-scande deux pices monolithiques.

De plus, il est possible dadapter cette techniquepour le contrle de pices sandwichs (Figure 46). HsuD.K. et al. [17] ont utilis cette mme technique dansle but de contrler le collage peau/NIDA aluminium.Concernant le contrle non destructif par gnrationdondes guides, Kazys R. et al. [16] prsentent desrsultats de travaux concernant la dtection de dla-minages et de dfauts suite un impact sur unepice sandwich.

Figure 46 :Contrle ultrasonore par couplage airdune pice sandwich (me en aluminium).Cartographie C-scan.

Figure 47 :C-scan (a) et B-scan (b) dun impact dtectpar la mthode de couplage airen configuration pitch-catch sur un matriaucomposite en nid dabeilles.


entre deux images en ajustant la position dun desdeux miroirs ainsi que dutiliser la technique du dca-lage de phase.La shearographie tant base sur un montage inter-fromtrique, elle permet la formation de franges etncessite une mise en contrainte afin de dformerlobjet tester. Ceci engendre une variation de laphase entre ltat de rfrence et un tat postdformation qui est fonction de la drive du dpla-cement hors plan de lobjet. Dans le cadre de laplupart des essais, cette variation de phase faitlobjet des mesures.

4.6.2 ApplicationsComme voqu ci-dessus, la shearographie nces-site de mettre en contrainte lobjet contrler.Cependant, il existe une multitude de sollicitationsenvisageables [20]. Les trois mthodes les pluscouramment utilises sont les suivantes :- lexcitation thermique par des lampes flashs ouhalognes pour un chauffage en surface,

- lexcitation vibratoire grce un pot vibrant ouondes guides,- lexcitation par dpression en utilisant par exempleune chambre vide.Il est important dadapter le type dexcitation en fonc-tion de la configuration et de lobjectif du contrle.

Dans tous les cas, grce la haute sensibilit de lamthode, une trs petite contrainte (volution ther-mique de la pice de quelques degrs ou de pres-sions de quelques Pascal) est suffisante pour mettreen vidence des dfauts.Ainsi, de nombreux dlaminages dans des structurescomposites monolithiques et sandwichs peuventtre dtects suite une contrainte thermique.Clergent [21] montre que lutilisation de lampes halo-gnes pendant quelques secondes permet de mettreen vidence la position des raidisseurs prsents surla face oppose celle dinspection ainsi que desdlaminages crs suite un impact. De plus, les tra-vaux raliss par Pezzoni et Krupka [22] montrent quela shearographie par excitation thermique permetaussi de dtecter des dfauts artificiels dans unepice sandwich graphite/Nomex issue dune queuedhlicoptre. Ils montrent galement lintrt de lamthode du dcalage de phase qui permet daug-menter la sensibilit de la mesure par rapport limage de franges. Quelques exemples de rsultats,issus de travaux effectus lInstitut de Soudure enpartenariat avec Composite Integrity, obtenus parcette technique sont prsents dans la Figure 50.La cartographie obtenue sur la pice sandwich (sur-face inspecte denviron 800 500 mm) rsulte duneexcitation thermique de 5 s. Les dfauts dtects sesituent linterface peau/me et sont de diamtre20 mm et 50 mm. La position du recouvrement entredeux couches est galement mise en vidence. Lapice monolithique prsente plus de difficult auniveau de la dtection. Nanmoins de nombreuxdfauts sous-jacents sont mis en vidence suite une excitation de 15 s.Dautres rsultats obtenus avec une excitation pardpression montrent galement une bonne perfor-mance en termes de dtection de dlaminages etde dcollements. Une tude ralise par Bobo [23]montre les performances de cette excitation pour ladtection de dcollements sur une partie de fuselagedavion. Les indications dtectes par shearographieont ensuite t confirmes par un sondage ultra-sonore. Hung [24, 25] propose galement ce moyendexcitation pour dtecter des dcollements dans des



Figure 48 :Plan de lprouvette sur un composite sandwich ( gauche) et sa cartographie C-scan obtenuepour une frquence dexcitation de 300 kHz ( droite).

Figure 49 :Interfromtre de Michelson.

Figure 50 :Cartographies de phase obtenues par shearographie avec excitation par lampes halognes surune pice sandwich (carbone/Nomex) ( gauche) et sur une pice monolithique carbone ( droite).


composites lamins et sandwich. Il compare gale-ment les performances de ce moyen dexcitation avecdautres (thermique, vibration, air chaud). Un exemplede shearogramme est donn dans la Figure 51.Enfin, des travaux raliss dans le cadre dune thseont notamment permis dexplorer les possibilits delexcitation vibratoire. En effet, Taillade [19] a tudilinteraction dune onde de Lamb avec un dfauten utilisant leffet stroboscopique afin dobserver lapropagation de cette onde (Figure 52). Dans ce cas,cette onde est gnre grce un traducteur pizo-lectrique. Cette configuration permet de mettre envidence certains dlaminages cres suite desimpacts de diffrentes nergies.Dautres rsultats utilisant linteraction dune ondede Lamb avec des dfauts sont disponibles. Parmiceux,-ci Focke [26] utilise un Laser pour gnrerune onde de Lamb, ce qui permet de saffranchir ducouplage ncessaire avec le capteur pizolec-trique.

externe au matriau. Les dfauts sont alors mis envidence par ltude de la propagation du flux ther-mique [30].Cependant, il existe diffrentes configurations(Figure 54) afin dapporter de lnergie au matriau contrler :- lexcitation thermique par des lampes flashs ouhalognes pour un chauffage en surface, la thermo-graphie pulse,- lexcitation vibratoire grce un pot vibrant ouondes ultrasonores, la vibrothermographie,- la gnration dondes thermiques dans le matriausuivie dune dtection synchrone, la thermographieLock-in.

4.7.2 ApplicationsLa configuration la plus commune est la thermogra-phie pulse. Lune des raisons de ce succs est quecette technique ne ncessite quune impulsion ther-mique de faible dure (quelques millisecondes pour

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Figure 51 :Multiples dlaminages dtectssuite une excitation par dpressiondans un composite sandwich graphite/Nomex.

Figure 52 :Interaction dune onde de Lamb (mode A0)gnre une frquence de 60 kHz avecun multi-dlaminage cr suite un impactde 3,1 J ( gauche) et de 5,3 J ( droite).

Figure 53 :Mise en vidence dun dlaminage cr par un impact sur une pice CFRP suite une excitationvibratoire.

Il existe une deuxime configuration, appele temps moyenn [27] afin dacqurir les donnesissues dune excitation vibratoire. Cette techniqueest utilise lorsque la sollicitation fait apparatre lesmodes propres de vibration de lobjet. Un exempledapplication [28] est donn dans la Figure 53.

4.7 LA THERMOGRAPHIE INFRAROUGE

4.7.1 PrincipeLa thermographie infrarouge [29] est base sur lamesure du flux thermique ou du rayonnement lectro-magntique mis dans linfrarouge par tous corpschauds. Ce rayonnement est directement li la tem-prature de la pice au facteur dmissivit prs.Ainsi, avec une camra infrarouge talonne laidede corps noirs, une reprsentation thermique de lapice peut tre reconstitue. La mthode thermogra-phique la plus utilise pour le contrle de structuresaronautiques consiste apporter une nergie

Figures 54 :Mthodes de thermographie active : stimulation par des lampes flashs ou halognes (droite),par une sonotrone (gauche).


les lampes flashs, et de lordre de la dizaine desecondes pour les lampes halognes). Suite cetteexcitation, la temprature de la pice augmenteraplus ou moins rapidement en fonction de son coeffi-cient de diffusivit. Un dfaut modifiera la propaga-tion thermique et sera donc mis en vidence par unemesure de la temprature.De nombreux travaux ont t effectus en utilisantcette technique dans le but de dtecter des dlami-nages [31, 32] et porosits [33] dans des compositeslamins de faible paisseur (5 mm). Il en rsulte quela dtection de dlaminages est trs difficile lorsqueces dfauts sont situs au-del de la mi-paisseur.Cependant, le fait dexciter thermiquement la picedu cot oppos celui de la mesure (contrle en

transmission par analogie aux ultrasons) amliore ladtection. De nombreuses pices sandwich peuventaussi tre contrles par cette technique. En effet,Rao [34] montre, dans la Figure 55, la possibilitofferte par cette technique de dtecter des dlami-nages dans la peau de la pice sandwich ainsi quedes dcollements avec lme.La thermographie Lock-in base sur la gnrationdune onde thermique grce une excitation prio-dique (modulation sinusodale de lexcitation ther-mique) permet la mesure de la phase de londethermique qui est fonction de sa propagation. Cettemthode est intressante pour le CND car elle estrelativement insensible une excitation non uni-forme de la pice. La frquence de modulation tant

inversement proportionnelle la profondeur dins-pection du matriau, il est possible dvaluer la pro-fondeur dun dfaut.Cette technique est aussi largement utilise dans ledomaine de laronautique pour le contrle de mat-riaux composites en carbone [35, 36]. Un exemple dersultats est donn en Figure 56.Sur cette figure, les renforts situs sur la face oppo-se linspection sont mis en vidence pour la fr-quence la plus faible.Enfin, en ce qui concerne la vibrothermographie,lnergie extrieure apporte est mcanique et estengendre par la propagation dondes acoustiquesdans le matriau. Les dfauts peuvent alors tredtects grce la chaleur produite par la friction dela matire. Cette technique offre la possibilitdinspecter de grande surface en un seul point decontact. Lutilisation de pistolets ultrasons est laplus souvent rencontre car ils gnrent une puis-sance importante (centaines de Watt) [37, 38]. Uneapplication de cette technique est prsente dans laFigure 57.Il est galement possible dutiliser des traducteurspizolectriques standards et dexciter des modesultrasonores spcifiques. Dans ce cas, la puissancegnre est de lordre du Watt [39].

5. COMPARAISONDES DIFFRENTESTECHNIQUES

Ces techniques de contrle utilisent des principesphysiques diffrents et permettent de dtecter et decaractriser, dans une certaine mesure, les dfautsrencontrs lors des contrles sur les matriaux com-posites. Le Tableau 1 rcapitule et compare les rsul-tats, les avantages et limites de chaque technique.



Figure 55 :Thermogrammes obtenus par thermographie pulse sur une pice sandwich possdant des dfauts linterface peau/me.

Figure 56 :Images de phase obtenues par Thermographie Lock-in pour diffrentes frquences de modulation.

Figure 57 :Pice composite ( gauche) et son plan (en haut). Image thermique ( droite) obtenue suite une excitation ultrasonore de 2 s 200 cm du dfaut.


6. CONCLUSION

Les matriaux composites offrent de nouvelles per-spectives dans de nombreux domaines dapplication.Leur structure particulire permet dobtenir descaractristiques mcaniques trs intressantes. Lacomposition de la structure et les conditions demise en uvre vont influer sur le comportement dumatriau.Tout comme pour les autres matriaux au stade deleur fabrication ou de leur mise en service, il est pos-sible que des dfauts apparaissent. Quel que soit letype de dfaut rencontr, il est important de lesdtecter avant quils nengendrent de lourdes cons-quences.Pour cela, de nombreuses techniques CND ont tdveloppes. Elles peuvent permettre de caractriseret de localiser les dfauts avec une grande prcision.Les nombreuses techniques employes sont sou-vent complmentaires et permettent denvisager decontrler la plupart des types de matriaux composi-tes. Le choix dune technique par rapport une autredpendra alors du type de dfauts dtecter, de lagomtrie des pices et de lenvironnement danslesquelles elles se trouvent.

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TUDES ET RECHERCHE


Technique CND

TTaabblleeaauu 11 Comparaison des diffrentes techniques de contrle non destructif

Avantages Limites Dfectologie

- Localisation du dfaut avec prcision- Haute sensibilit- Possibilit de dterminer les proprits dumatriau

- Les touts petits dfauts sont difficiles dtecter- Contrle local et long- Dtection difficile dans une fine paisseur justeen dessous de la surface (zone morte)- Problme avec les agents couplant pour lesmatriaux composites

- Les touts petits dfauts sont difficiles dtecter- Contrle local et long- Dtection difficile dans une fine paisseur justeen dessous de la surface (zone morte)- Problme avec les agents couplant pour lesmatriaux composites.- Difficult didentification du type de dfauts etde sa profondeur- Peu sensible aux inclusions- Accs aux deux cts de la pice

- Dtection du dfaut si sa taille est > /2 sousrserve dun rapport signal sur bruit satisfaisant

- Localisation du dfaut avec prcision- Haute sensibilit- Possibilit de dterminer les proprits dumatriau- Zone morte rduite (par rapport aux contrlesultrasonores classiques)

- Les matrices sont peu adaptes pour linspec-tion des zones courbes

- Sans contact- Large couverture de la zone contrler- Utilisation pour tous les types de matriaux

- Performances de la camra Infrarouge- Temps de contrle important pour certainesconfigurations

- La taille des dfauts dtects est limite par larsolution de la camra Infrarouge- Dtection difficile au-del dune paisseur de5 mm

cchhooggrraapphhiiee

Transmission

Phased array

Thermographie

- Sans contact- Pas de prparation de lobjet avant le contrle,mais la pice ne doit pas tre trop rflchissante- Particulirement bien adapte aux matriauxcomposites sandwich

- Contraintes extrieures (vibration, luminosit)

- Ne dtecte pas les porosits car il nexiste pasde corrlation entre la mesure de la dformationde surface et les porosits lintrieur despices- Taille du dfaut quivalente la taille de laperturbation du motif de franges.

Shearographie


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Les Matériaux Composite Carbonés

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