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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.