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Rapport d’activité 2007 de l’équipe

« Mesures Optiques Dimensionnelles et Thermiques »

CROMeP

Personnels permanents : Jean-José ORTEU (Prof.), Yannick LE MAOULT (MA1 HDR), Thierry

SENTENAC (MA) , Laurent ROBERT (MA), Jean Paul ARCENS (IR2)Florian BUGARIN (IR),

Didier ADE (Tech.), Jean Michel MOUYS (Tech).

Doctorants : Maxime BORDIVAL, Nicolas DECULTOT, Mustafa DEMIREL, Jacques

HARVENT, Samia HMIDA, Julien SNIEZEWSKI, Sébastien TRIOLLET

L'équipe « Mesures Optiques Dimensionnelles et Thermiques (MODT) » s'intéresse au

développement de méthodes/de systèmes de mesure dimensionnelle et/ou thermique pour l'étude du

comportement des matériaux et des structures et la surveillance des outillages et des procédés. Dans

nos travaux, nous privilégions le développement de méthodes de mesure sans contact et de champs

(par opposition aux méthodes ponctuelles) basées sur l'optique ou l'imagerie numérique (caméras).

Nous mettons en œuvre également des mesures par capteurs à fibre optique à réseaux de Bragg.

Mesure de champs cinématiques (formes, déplacements, déformations) et identification :

L'équipe MODT a acquis une grande expérience en matière de mesure de

formes/déplacements/déformations par corrélation d'images et en particulier par stéréo-corrélation,

pour résoudre un large spectre de problèmes allant de l'échelle macro à l'échelle micro/nano :

emboutissage de tôles minces, bétons réfractaires renforcés de fibres métalliques, élastomères sous

différents types de sollicitation, essais sur éprouvettes en composite, mesure de

formes/déplacements sous MEB par vidéogrammétrie , etc.

Nous travaux sur la stéréo-corrélation (2 caméras) [thèse D. Garcia, 2001] et la vidéogrammétrie (1

caméra) [thèse N. Cornille, 2005] sont actuellement étendus aux mesures multi-caméras dans deux

contextes différents : (1) en partenariat avec AIRBUS et le LAAS-CNRS, nous développons un

système multi-caméras pour l'inspection de pièces aéronautiques (panneaux de fuselage ou de

voilure, métalliques ou composites) en vue de la détection de défauts de forme [thèse Jacques

Harvent, en cours], (2) dans le cadre du projet « Formage Avancé » du pôle de compétitivité

EMC2, nous développons un système multi-caméras pour mesurer les déformations de tôles en

formage incrémental [travaux F. Bugarin, en cours].

1 MA = Maître-Assistant du Ministère de l’industrie

2 IR = Ingénieur de Recherche

CR MeP

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Les mesures de champs fournissent un grand nombre de données expérimentales. L'utilisation

efficace de ces données pour l'identification du comportement des matériaux nécessite la mise en

œuvre de méthodes spécifiques. Nous menons actuellement des travaux sur l'identification à partir

de mesures de champs (en grandes déformations) appliquée au soufflage [thèse S. Hmida, en

cours], ainsi que l’identification de loi de comportement anisotrope en formage incrémental de tôle

[thèse N. Decultot, en cours].

Capteurs à fibre optique à réseaux de Bragg :

Les capteurs à fibre optique à réseaux de Bragg (FBG) sont particulièrement intéressants pour

mesurer les déformations et la température (aptitude au multiplexage, faible intrusivité, grande

sensibilité thermo-mécanique, capteurs répartis, etc.). Nous avons développé des compétences dans

l’utilisation de ce genre de capteur, notamment pour le suivi des paramètres de procédés de

fabrication : collaborations avec l’équipe LGMT/Pro2Com, thèse de M. Demirel en cours en

partenariat avec l’équipe SMS de l'Ecole des Mines de St-Etienne.

En partenariat avec le laboratoire Hubert Curien (UMR CNRS 5516) de St Etienne [thèse S.

Triollet, en cours] nous développons un capteur à base de réseau standard (courte période) et de

réseau longue période (LPG) superposés permettant de discriminer de manière intrinsèque les

informations de température et de déformation longitudinale.

Un projet ANR vient d’être accepté pour le développement, en partenariat avec le CEA/LIST, d’un

capteur de pression de contact faiblement intrusif susceptible d’être intégré dans les outillages

(moules) de fabrication des pièces composites en autoclave.

Mesure de champs de températures et de grandeurs thermiques :

L'équipe MODT développe également une activité dans le domaine de la mesure sans contact de

champs de températures et de grandeurs thermiques. Nous utilisons aussi bien des caméras de

thermographie « classiques » (ondes courtes ou ondes longues) que des caméras de type CCD

exploitées dans le domaine spectral proche infrarouge.

La spécificité de nos travaux réside dans notre souci de modéliser et caractériser le plus finement

possible les caméras utilisées, ainsi que dans la prise en compte des grandeurs d’influence de

l’environnement pour conduire à des mesures de températures vraies auxquelles il est possible

d’associer une incertitude de mesure.

En 2007, nos moyens expérimentaux ont été fortement impliqués dans l’étude du couplage

chauffage–soufflage de bouteilles en P.E.T, ce qui a permis une première approche du calcul

thermomécanique décrivant ce procédé de mise en forme. Celui-ci prend en compte la modélisation

de la mise en température des préformes à l’aide d’un module de lancer de rayons puis l’étape de

déformation de cette préforme, à l’aide d’une loi de comportement [thèse C.Champin, décembre

2007]. Dans un deuxième volet, nous avons développé une méthode d’optimisation sous contraintes

permettant d’améliorer l’étape de mise en température de ces préformes puisque l’étape de

déformation permet d’obtenir des informations sur le gonflage de la bouteille et la répartition

finales des épaisseurs de matière dans celle-ci, épaisseurs qui conditionnent la résistance mécanique

du produit fini ainsi que son aspect général (transparence). Ce travail spécifique a été mené dans le

contexte du projet européen APT-Pack [thèse M. Bordival, soutenance prévue : début 2ième

semestre 2008).

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Nous sommes, par ailleurs, en train de développer un nouveau moyen d’essai pour la

caractérisation des propriétés thermo-optiques de matériaux (émissivité, réflectivité) pour une

gamme de température allant de 50 à 1000°C. Dans le cadre de nos activités en matière de

transferts radiatifs avancés, nous avons lancé un projet interne baptisé « Moyens de Chauffage

Avancé (MCA) » ayant pour but le développement de moyens innovants de mise en température de

matériaux à partir des compétences développées pour le chauffage infrarouge des thermoplastiques

(codes de calcul, moyens d’essai et de mesure), en particulier dans la caractérisation et la

modélisation des éclairements énergétiques issus de termes sources complexes en vue du chauffage

de matériaux spécifiques (polymères, verres, couches minces, composites, métaux..etc)

Nous avons, par ailleurs, développé un nouveau pilote (voir figure 1) permettant l’analyse de

l’endommagement de barrières thermiques à l’aide de moyens vidéométriques et infrarouges [thèse

J. Sniezewski, en cours] . Ce pilote permet d’ores et déjà la mise en température de barrières selon

des cycles prédéfinis proches des cycles rencontrés dans les moteurs d’avion afin d’étudier de façon

dynamique les phénomènes d’endommagement initiés dans les couches de zircone et bond coat

constituant la barrière.

Figure 1 : nouveau moyen d’essais pour le cyclage thermique et

l’étude vidéométrique de l’endommagement de barrières thermiques

Mesure couplée de champs cinématiques et de champs de températures :

Nos travaux sur la mesure de champs de déformations par stéréo-corrélation et la mesure de

champs de températures par caméras CCD bas-coût non refroidies ont conduit au développement

d’un modèle radiométrique permettant la mesure de températures de luminance de façon répétable

et contrôlée dans le domaine du proche infrarouge et dans un deuxième temps la mise en œuvre

d’essais préliminaires permettant une mesure couplée et simultanée de la forme, du champ de

déplacements/déformations et du champ de températures apparentes d’un objet 3D subissant une

sollicitation thermo-mécanique. Pour étendre ces travaux à la mesure de températures vraies, il faut

connaître l’émissivité de surface du matériau et les perturbations apportées par la géométrie de ce

dernier (inter-réflections entre faces, dans le cas de formes complexes). Un projet ANR vient d’être

accepté, en partenariat avec Areva, le LAAS-CNRS et le PROMES-CNRS, pour développer un

système de mesure en ligne de températures vraies à partir de la fusion en ligne, dans la bande

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spectrale proche infrarouge, de mesures de températures et de propriétés de surface (émissivité,

forme) à l’aide d’une technique de pyroréflectométrie.

La mesure couplée suppose également de bien maîtriser les mesures de déformations à chaud. Dans

ce contexte, un projet de recherche est en discussion avec l’Institut Von Karman (Bruxelles) pour

développer des moyens de visualisation et de quantification des champs convectifs apparaissant

autour des objets portés à haute température et qui sont responsables des perturbations visibles sur

les images (liées au fort gradient de l’indice de réfraction près de la surface de l’objet).

L’équipe MODT participe activement aux travaux du GDR CNRS 2519 «Mesures de champs et

identification en mécanique des solides», au sein de ses 3 groupes de travail « Métrologie »,

« Identification » et « Thermographie ». Par ailleurs, les permanents de l’équipe participent aux

travaux de nombreuses autres sociétés savantes : Association Française de Mécanique (AFM),

Société Française de Thermique (SFT), Société Française d’Optique (SFO), Société Française de

Physique (SFP), Collège Français de Métrologie (CFM), GDR CNRS « Signal et Image » (ISIS),

etc.