Journée technique CFM – 18 Mai 2011

Méthodologie d’analyse et qualification d'un process de

contrôle 3D innovant, TDM Insidix

Stéphane RAYNAUD - INSA Lyon Laboratoire MIP2

Michael HERTL - INSIDIX

Journée technique CFM – 18 Mai 2011

Sommaire

1. Présentation des activités

2. Méthodologie d’analyse et qualification

3. Essais et Résultats

4. Conclusions, perspectives

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Journée technique CFM – 18 Mai 2011

• Formation initiale – Département Génie Mécanique Conception

• Recherche, transfert techno, prestations de service et

formation continue avec INSAVALOR-SA / www.insavalor.fr

Présentation des activités

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Mesures d'états de surfaces (Surfascan2D , Neox, Fogale 3D + Moutains Map).

Étalonnages & Incertitudes de mesures. Numérisation 3D et rétro–conception (Catia V5 , 3D Reshaper, Focus Reverse).

Spécifications géométriques des produits mécaniques (GPS et ISO). Calculs et optimisation des tolérances (logiciels : CATIA V5, CE TOL et Mecamaster),

Contrôles dimensionnels et géométriques :Moyens : MMT Zeiss/Mitutoyo, Tesa, Tri mesure, Machines optiques Actiris et Faro-Metris MMD100, Tracker Laser FaroLogiciels: Metrolog2, Géowin, Power Inspect, Focus inspection, 3D Reshaper,. Inspect..)Machine de vision Microvu Vertex 110.

Contrôles surfaciques (Metrolog2 XG + Focus Inspection),

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Présentation des activités

INSIDIX

Création: 1996

Forme juridique : SAS au

capital de 360 K€

Chiffre d’affaire:

1,5 M€ en 2010

2,3 M€ en 2011 Budget

Effectif: 14 personnes dont

10 ingénieurs et techniciens

Implantations: Grenoble et Caen, distributeurs monde

Zones géographiques: USA, Chine, Japon, Singapour…

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Présentation des activités

INSIDIXTechniques et applications :

Radiographie RX Haute résolution 2&3 D Matériaux, composants et assemblages

Microscopie Acoustique Matériaux, composants et interfaces

Mesure de topographie et déformationMatériaux, composants

Micro-fluorescence X Matériaux et couches minces

Thermographie IR dynamiqueMatériaux, composants et interfaces

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Présentation des activités

Le moyen TDM Durant sa vie un assemblage subit des sollicitations

aussi bien mécaniques (ex.raidisseur) que

thermiques (fonctionnement, assemblage) générant

des stress et donc des déformations.

Ces variations environnementales s’opérant

alternativement, des défaillances vont apparaître à

plus ou moins long terme.

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L’idée est de• Mesurer les déformations pendant les différentes variations

environnementales possibles • Pour anticiper l’apparition de défauts, de caractériser des nouveaux

design, etc

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Présentation des activités

Le moyen TDM

Mesures plein champs, rapide de

topographies

Mesures pouvant être menées

simultanément à une sollicitation

thermo-mécanique pilotée,

permettant la caractérisation de

déformations (XY et Z)

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Méthodologie

Problématique : – Machine innovante utilisée actuellement comme un outil de

mesure de topographies et de déformations de composants électroniques. Exactitude des résultats non maîtrisée, démarche incertitudes

de mesures à mettre en place.– Volonté de qualifier la machine d’un point de vue métrologique

pour répondre aux besoins des clients. Certification ISO 9000, accréditation ISO 17025, raccordement

COFRAC des étalons?– Pas de norme de qualification pour ce type de machine! Raccordement à la chaine dimensionnelle et/ou optique?Méthodologie et procédure de qualification à mettre en

œuvre?

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Méthodologie

Analyse

– Recherche et étude des normes existantes,

– Comparaison à des procédés existants et raccordés à la chaine d’étalonnage – MMT à contact,

– Analyse fonctionnelle du process d’acquisition et du traitement des données,

– Recherche de facteurs de dispersion des mesures (Brainstorming, Ishikawa, plan d’expériences,..)

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Diagramme d’Ishikawa12

ERREUR DE MESURE

METHODE

Nombre de mesures

Choix des paramètres

Choix de la taille du champ

•Paramètres caméra• Paramètres de calibration

Traitement du nuage de points

• Orientation (angle)• Position suivant XY•Position suivant Z

OPERATEUR

Expérience

Formation

Vue (vis micrométrique, netteté caméra…)

APPAREILErreur de justesse

Erreur de fidélité

Incertitude d’étalonnage :

Température

Réglages projecteur et caméra

Choix de la machine

• Justesse de la vis micrométrique• Déviation angulaire de la platine

ENVIRONNEMENT

Température

Vibrations

Poussières

PRODUIT A MESURER

Température

Etat de surface (réfléchissante ou non?)

Matière

Positionnement dans le champ de vision

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Méthodologie

Expérimentations

– Etude des facteurs de dispersion ,

– Recherche de paramètres optimaux,

– Mise en place d’un protocole de calibration pour mesurer les cales de références,

– Utilisation d’une pièce type raccordé à la chaine d’étalonnage dimensionnel COFRAC.

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RésultatsAnalyse :

– Utilisation des normes d’essais de réception et vérification d’une MMT pour faire l’analogie avec TDM (ISO 10360-2)

– Utilisation des normes sur l’estimation des incertitudes de mesure (ISO/TS 21748)

– Prise en compte des normes comparaison intra laboratoire (Guide ISO/CEI 431: Essais d’aptitude des laboratoires par intercomparaison partie 1 : Développement et mise en œuvre de système d’essais d’aptitude…)

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Résultats

Causes possibles de dispersion– Placement de l’élément à mesurer

• Position en Z

• Position en XY dans le champ de vision

• Angle de pose

– Réglages de la caméra : paramètres de phase, nombre d’images (réduction du bruit)

– Calibration (taille du champ calibré, paramètres de calibration, nombres de points de calibration)

– Température

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X

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Résultats

Expériences :

– Etude des différents paramètresIndividuellement,– Séries de 30 acquisitions successives sur une marche de hauteur 200 µm,– Mesure des hauteurs de marche en effectuant le même traitement sous Moutains Map,– Analyse de la moyenne, l’écart type et l’étendue de chaque série de mesures– Conclusions sur l’influence des différentsparamètres

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Résultats

Résultats d’expériences : placement de l’échantillon

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La hauteur mesurée varie en fonction de l’angle suivant lequel on dispose la marche et les résultats sont variablement répétables suivant l’angle

Séries de 30 mesures de hauteur de marche en plaçant l’échantillon dans différentes positions dans le champ de vision :

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Résultats

Résultats d’expériences : placement de l’échantillon

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Placer l’échantillon au milieu du champ suivant Z permet une répétabilité légèrement meilleure, mais le placer en haut du champ permet de réduire les points « parasites » pour un meilleur traitement du nuage

Séries de 30 mesures en plaçant l’échantillon à différentes positions suivant Z, le zµ indiqué est la hauteur relative à la vis micrométrique, zµ=20 correspondant à une position basse, et zµ=12 une position haute. Le milieu du champ est à zµ≈15.

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Résultats

Résultats d’expériences : placement de l’échantillon

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La position en XY a peu d’influence sur la mesure

Séries de 30 mesures en plaçant l’échantillon à différentes positions suivant XY

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Résultats

Résultats d’expériences : réglages des filtres de la caméra

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Il est préférable de réduire le bruit de la caméra pour obtenir des mesures plus justes et fidèles.

Séries de 30 mesures en faisant varier le paramètre Camera Noise Reduction (réduction du bruit de la caméra)

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Résultats d’expériences : réglages des filtres de la caméra

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Il est préférable d’augmenter le paramètre de phase pour obtenir des mesures plus justes et fidèles

Séries de 30 mesures en faisant varier le paramètre Number of Phase Shift (paramètre de phase, réduction du bruit)

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Résultats

Résultats d’expériences : paramètres de calibration

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Il est préférable de prendre un nombre de points de calibration en Z assez important (écart type plus faible)

Séries de 30 mesures en faisant une nouvelle calibration à chaque fois, en faisant varier le nombre de points de calibration en Z

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Résultats

Résultats d’expériences : choix de la taille du champ

Possibilité de choisir entre 2 tailles de champ pour le projecteur :• Pour le petit champ :

– Moyenne de toutes les mesures : 194,2 µm– Ecart-type de toutes les mesures : 2 µm– Etendue de toutes les mesures : 7,7 µm

• Pour le grand champ : – Moyenne de toutes les mesures : 195,6 µm– Ecart-type de toutes les mesures : 16,1 µm– Etendue de toutes les mesures : 101,4 µm

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La taille du champ projeté a une grande influence sur la répétabilité des mesures, il vaut mieux choisir le petit champ si la taille de l’objet mesuré le permet.

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Résultats

Résultats d’expériences : autres paramètres

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La période de répétition des mesuresn’influence pas la mesure

Séries de 30 mesures en faisant varier la période de répétition des mesures, ou en faisant 30 acquisitions manuelles successives

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Conclusions, perspectives

– Paramètres influant la mesure : angle de positionnement,

– Paramètres sans influence : position suivant XY, période de répétition des mesures,

– Paramètres à optimiser : position suivant Z, paramètres caméra (Camera Noise Reduction et Number of Phase Shift), nombre de points de calibration suivant Z

– Sur l’ensemble des mesures :

• Grand champ : exactitude à ≈ 50 µm

• Petit champ : exactitude à ≈ 6 µm

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Conclusions, perspectives

– Identification des paramètres influant les mesures,

– Optimisation de ces paramètres pour améliorer la justesse et la fidélité de la mesure,

– Mise en place d’un protocole de calibration pour qualifier la machine.

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