Contrôle non destructif : La tomographie fait un pas vers

S olutions
CON T RÔ L E N O N D E S T R U C T I F
La tomographie fait un

Rarement une méthode de contrôle non destructif n’aura connu autant d’avancées
en l’espace de quelques années. Avec le développement des détecteurs plans, les
progrès accomplis dans les logiciels d’analyse et de reconstruction 3D et l’arrivée
des générateurs à microfoyer, la tomographie à rayons X a changé d’image. Depuis
quelque temps, des grands noms de la mesure 3D s’intéressent à cette méthode
de contrôle. Associé, ou pas, à des palpeurs classiques, le tomographe est devenu
un instrument de mesure à part entière. Pour le contrôle non destructif, c’est la
tomographie en ligne qui commence à faire parler d’elle. Fini les temps de calcul
interminables, place à la “tomographie instantanée”.
L
ongtemps restée dans l’ombre des
autres méthodes de contrôle non
destructif, la tomographie suscite
aujourd’hui un nouvel engouement. Ses profondes évolutions depuis quelques années en sont le principal tremplin.
Plus rapides, plus précis, moins encombrants…, les appareils progressent sur tous
les fronts et offrent à la tomographie de nouveaux champs d’applications. Dans le principe, pourtant, rien n’a changé. Les tomographes sont toujours constitués d’un
générateur à rayons X, d’un système de positionnement sur lequel on place la pièce à
contrôler et d’un détecteur. Ce dernier est
relié à une électronique d’acquisition et à un
PC équipé d’un logiciel de reconstruction et
de visualisation en 3D de la pièce sous contrôle. Le faisceau de
rayons X émis traverse
L’essentiel
plus ou moins facilement la pièce à contrô La tomographie à rayons X
ler suivant la densité
connaît d’importantes
du matériau qui la
évolutions
compose. Les varia Le développement des
tions
de contraste obgénérateurs à microfoyer
tenues sur le détecteur
ouvre la voie aux applicafournissent alors une
tions de métrologie 3D
radiographie en 2D de
 Les logiciels d’analyse et de
la pièce. Reste ensuite
reconstruction progressent,
à déplacer la pièce desi bien que la tomographie
vant le générateur
3D pourrait un jour s’intégrer
en ligne
pour obtenir une multitude de vues en 2D
30
puis en 3D (suite à une reconstruction mathématique). A partir de là, tout est possible,
ou presque. Le logiciel de visualisation permet de réaliser n’importe quelles coupes de
la pièce, contrôler toutes sortes d’éléments
invisibles à l’œil nu, détecter les défauts internes ou encore “voyager” librement au
cœur même de la pièce. « Les possibilités sont
énormes ! s’exclame François Curnier, p. d.g.
de la société Digisens (qui développe des
logiciels de reconstruction et de visualisation 3D). Ce qui était complètement utopique il y
a encore quelques mois est désormais réalisable. »
Pour comprendre le chemin parcouru, il faut
revenir aux premières applications de tomographie au début des années 70. A cette époque, la méthode est surtout utilisée dans le
domaine médical. Les tomographes sont très
volumineux, coûteux et relativement lents,
mais ils présentent un intérêt évident : la possibilité d’effectuer un contrôle non invasif.
Ces appareils intéressent très vite les industriels pour des applications de “santé matière” (recherche de porosités, de manques
de matière, de fissures non-débouchantes,
etc.). Premiers secteurs concernés, l’aérospatiale et l’aéronautique. Grâce à la tomographie, ils disposent enfin d’une solution pour
contrôler de manière non destructive toutes
sortes de pièces stratégiques (éléments de
fusées, boosters, etc.).
Les tomographes utilisés à cette époque sont
basés sur des détecteurs linéaires. Une fois
disposées sur la platine de positionnement,
les pièces sont déplacées devant la barrette
du détecteur et traversées par un faisceau
relativement fin. On obtient alors une mul-
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pas vers la mesure
titude d’images représentant des coupes en
2D de la pièce (ce sont des “tranches” de la
pièce aux endroits où elle a été traversée par
le faisceau).
Jusqu’à la fin des années 90, la tomographie
reste quasiment à ce stade et s’applique à un
grand nombre d’applications en contrôle
non destructif. A partir du début des an-
nées 2000, elle connaît un tournant décisif.
« Les logiciels de reconstruction permettent alors de
passer du 2D au 3D, explique Sylvain Genot,
responsable technique de Tomoadour (prestataire de services en tomographie 3D). Dès lors,
de nouvelles applications deviennent accessibles : mesures dimensionnelles (internes et externes), numérisation 3D, rétroconception, etc. » C’est aussi à
cette époque que l’on voit apparaître les premiers CBCT (Cone-Beam Computed
Tomography ou tomographie à faisceau
conique assistée par ordinateur). Cette foisci, la pièce n’est plus déplacée devant un
détecteur linéaire, mais disposée sur un plateau rotatif dans le champ d’un faisceau conique. Il suffit de la faire tourner devant un
détecteur plan pour obtenir plusieurs images
en 2D (puis en 3D par reconstruction logicielle).
Les premiers détecteurs plans mesurent à
peine quelques centimètres de côté. Ils s’intègrent donc dans des tomographes de petite
taille utilisables sur des paillasses de laboratoire. Là encore, c’est le secteur médical qui
fait office de précurseur, avec l’emploi de
tomographes pour l’analyse de prélèvements
osseux. Il est suivi de près par l’industrie
dans des secteurs extrêmement variés (aérospatiale, aéronautique, automobile, agroalimentaire, métallurgie des poudres, matériaux composites, plastiques, etc.).
Digisens
La révolution du microfoyer
Grâce à un logiciel de reconstruction, il est possible de visualiser la pièce en 3D et de l’observer sous tous les angles. On peut ainsi
contrôler sa structure interne et détecter les éventuels défauts.
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Si les deux principes cœxistent aujourd’hui,
les détecteurs plans sont de loin les plus répandus. Il faut dire qu’ils sont moins encombrants et jusqu’à dix fois plus rapides que
leurs homologues linéaires. Mais tout dépend de ce que l’on recherche : « Les dimensions actuelles des détecteurs plans sont de
40 x 40 centimètres. Si l’on souhaite contrôler des
pièces plus grandes, il faut donc réaliser plusieurs
mesures et rassembler ensuite les nuages de points, ou
alors utiliser des détecteurs linéaires. Dans ce cas, le
contrôle est plus long », précise Loïc Chérel, ➜
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RX Solutions
Solutions
Werth
La tomographie à rayons X donne accès
à la structure interne des pièces
contrôlées. Le rendu, très réaliste, est
obtenu de manière non destructive.
Digisens
En associant un tomographe avec un palpeur “classique” de machine à mesurer, Werth fait entrer la métrologie
3D dans le champ d’applications de la tomographie.
Le palpeur permet de recaler les mesures prises par le tomographe et d’obtenir une résolution élevée.
Tous les tomographes sont constitués d’un
générateur à rayons X, d’un système mécanique
de positionnement et d’un détecteur.
➜ président de RX Solutions (fabricant de
machines de tomographie et prestataire de
services). « Avec notre tomographe à détecteur
linéaire, par exemple, nous pouvons contrôler des
pièces allant jusqu’à 50 centimètres de diamètre sur
1 mètre de long », confirme Sylvain Genot
(Tomoadour).
Autre différence entre les deux principes,
l’énergie du tube à rayons X. La plupart des
tomographes à détecteurs plans du marché
sont dotés d’un tube de basse énergie (160
ou 240 kV). Ces appareils répondent à de
nombreux besoins, mais trouvent leurs limites lorsqu’il s’agit de contrôler des pièces
massives. Les rayons X, rappelons-le, traversent facilement les matériaux de faible densité (peau, tissus, carbone, plastique, etc.),
mais ils sont plus fortement atténués par les
pièces plus denses (métaux, minéraux, etc.).
Traverser des pièces massives exige donc une
source d’énergie plus forte.
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Enfin, les détecteurs plans offrent aussi une
résolution plus faible que les détecteurs linéaires. Mais sur ce point, les fournisseurs
ont trouvé la parade : la microtomographie.
Cette technique se distingue par son générateur à rayons X. « En microtomographie, nous
utilisons des générateurs dits à “microfoyer” qui ont
la particularité d’avoir un très petit spot d’émission
(de l’ordre de quelques microns), explique Loïc
Chérel (RX Solutions). On obtient donc des images
très nettes, et on effectue des mesures à des résolutions de quelques microns (contre quelques centaines
de microns en tomographie classique). » Autre
atout des microtomographes : leur faible encombrement. Certains équipements autoprotégés s’installent dans un bureau, comme
de “simples” machines à mesurer tridimensionnelles.
De la tomographie
à la métrologie 3D
La microtomographie, apparue il y a près de
cinq ans, n’en finit pas de faire des adeptes.
« Les générateurs à microfoyer contribuent à l’engouement suscité par la tomographie à rayons X. Il est
désormais possible d’obtenir des acquisitions 3D avec
une résolution élevée et des sources bien stabilisées »,
souligne Jean-Claude Lecomte, directeur
d’Insidix (fournisseur d’appareils et de services dans le CND de haute résolution).En
quelques années, l’enthousiasme pour la
microtomographie a dépassé les frontières
du contrôle non destructif pour gagner celles de la métrologie 3D. Werth a été le premier à s’y intéresser. En 2004, cette société
allemande propose un nouveau concept :
associer dans la même machine un tomographe et un palpeur “classique” à contact.
Dès lors, le tomographe n’est plus un outil
de contrôle non destructif réalisant des mesures dimensionnelles. Il devient un moyen
de mesure à part entière. « Le TomoScope est
avant tout une machine à mesurer qui peut être
également utilisée pour des applications de “santé
matière” », souligne Bruno Vetticoz, directeur
de Werth France. La nuance est importante.
Dans les machines de la série TomoScope,
tout a été conçu pour améliorer la précision
de la mesure. « Avec un tomographe, il est difficile
d’obtenir une résolution meilleure que 15 µm (notamment à cause des artefacts de mesure). Pour
pallier cette limitation, nous avons développé un
système d’autocorrection », explique Bruno
Vetticoz (Werth France). Le palpeur à contact
vient prendre des mesures sur quelques
points spécifiques avec une résolution élevée
(de l’ordre du micron). Grâce à cette opération, les points mesurés en tomographie sont
corrigés et on obtient une mesure 3D de
bonne résolution.
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Solutions
Quand les tomographes deviennent
des machines à mesurer
Avec l’apparition de générateurs à microfoyer, deux grands noms de la mesure
3D se sont intéressés à la tomographie : Werth (avec sa gamme TomoScope)
et Zeiss (avec son Metrotom). Chez Werth, la gamme TomoScope est un
prolongement presque “naturel” de l’offre existante. La société allemande
est en effet restée fidèle à son principe de machines multicapteur en développant un appareil “hybride” doté d’un tomographe et d’un palpeur classique
de MMT. Ce dernier vient prendre des mesures sur quelques points spécifiques.
Grâce à cette opération, les points mesurés en tomographie sont corrigés
et l’on obtient au final une mesure de résolution élevée (de l’ordre
du micron).
Le Metrotom de Zeiss est au contraire un “vrai” tomographe
destiné principalement aux applications de mesure dimensionnelles. Il est associé à une extension du célèbre logiciel de
métrologie Calypso de la société. L’utilisateur dispose
ainsi de toutes sortes de fonctions que l’on ne trouvait jusqu’à
présent que sur des logiciels “classiques” de MMT (contrôle
de cotes 2D, de planéité, etc.). Quant à la résolution, elle est de
l’ordre de 8 µm. Toutes ces machines sont autoprotégées.
Elles peuvent donc être installées dans un environnement
de travail classique (bureau d’études, salle de métrologie, etc.).
Les deux principes sont utilisables de manière indépendante. Si l’on souhaite simplement contrôler des cotes en 2D, on utilise
seulement le palpeur à contact (sans avoir
ensuite besoin de recaler la tomographie).
Les deux machines de la gamme TomoScope
sont autoprotégées. Il n’est pas nécessaire de
les installer dans une pièce spécifique afin de
protéger les opérateurs des rayons X. Les
machines peuvent être disposées dans un
environnement de travail classique (salle de
métrologie, bureau d’études, etc.). La puissance du tube à rayons X est relativement
limitée (130 et 225 kV), mais elle répond
malgré tout à de nombreux besoins. « Avec la
machine à 225 kV, on contrôle des pièces allant
jusqu’à 500 mm de diamètre sur 500 mm de longueur. Au niveau des épaisseurs traversées, il est possible d’aller jusqu’à 80 mm dans l’aluminium et
50 mm dans l’acier », précise Bruno Vetticoz
(Werth France).
Les deux machines sont dotées d’un générateur à microfoyer, d’un détecteur plan et
d’un plateau rotatif (la pièce peut même être
déplacée verticalement si besoin est). Quant
au logiciel associé, il gère à la fois le générateur à rayons X, le tomographe, et l’analyse
du nuage de points.
Zeiss, un autre grand nom de la mesure 3D,
s’est également intéressé à la microtomogra-
Les derniers tomographes
ne sont plus des
instruments de contrôle
non destructif qui
permettent de faire de la
mesure, mais sont
aussi des machines
à mesurer à part entière.
phie. Il y a quelques mois, l’annonce du
lancement de son système “Metrotom” a fait
grand bruit : Zeiss osait pour la première fois
associer la tomographie à la métrologie. Le
Metrotom est basé sur un détecteur plan et
un tube à microfoyer de 225 kV. Il offre un
volume de mesure de 350 x 350 x 350 millimètres. « Avec cette machine, nous pouvons traverser le plastique jusqu’à 250 mm, l’aluminium
jusqu’à 120 mm et l’acier jusqu’à 10 mm », indique Philippe Vallet, responsable administratif chez Zeiss. La résolution de la mesure,
quant à elle, est de l’ordre de 8 µm. La machine affiche bien sûr des dimensions conséquentes (3 x 1,7 x 1,2 m), mais elle est ➜
RX SOLUTIONS
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Solutions
➜ dotée de sa propre protection contre les
rayons X. Elle est donc utilisable partout.
La société allemande a aussi porté ses efforts
sur le logiciel associé au Metrotom. Il s’agit
en fait d’une extension (dédiée à la tomographie) de son célèbre logiciel de mesure
3D Calypso. L’utilisateur dispose ainsi de
toutes sortes de fonctions que l’on ne trouvait jusqu’à présent que sur des logiciels
“classiques” de machines à mesurer tridimensionnelles : le contrôle de cotes plans, de
planéités, etc. Il est aussi possible de reconstruire la pièce en 3D et de comparer les
écarts éventuels que l’on obtient avec les fichiers de CAO.
De là à penser que les tomographes concurrencent les MMT, il n’y a qu’un pas que personne n’oserait franchir.
« Les deux méthodes sont totalement complémentaires, souligne Philippe Vallet (Zeiss). Avec un
tomographe, le temps de mesure est 8 à 10 fois plus
rapides qu’avec un palpeur à contact, mais la précision est plus faible. » Pour Sylvain Genot
(Tomoadour), « les machines à mesurer sont plus
précises, mais elles ne permettent pas d’avoir accès
aux géométries internes (sauf si le contrôle devient
destructif) ». La tomographie, elle non plus,
ne résout pas tout. « Certaines mesures peuvent
être difficiles. C’est le cas par exemple lorsque l’on
doit contrôler des matériaux très hétérogènes (telle
qu’une pièce en plastique avec des inserts de cuivre).
A cause de certains artefacts de mesure, il y a des
éléments que l’on voit mal », précise Loïc Chérel
(RX Solutions). Pour d’autres fournisseurs, la
question n’est pas là. « Il ne faut pas oublier
l’étalonnage du moyen de mesure, souligne JeanClaude Lecomte (Insidix). En tomographie, il
n’existe pas encore de normes, à ma connaissance,
qui permettent de s’assurer que l’on peut dimensionner un objet avec une incertitude fiable et reproductible. »
Bientôt la tomographie en ligne
La tomographie à rayons X doit aussi une
importante part de son succès au fait que le
contrôle est devenu de plus en plus rapide.
Jusqu’à présent, la plupart des contrôles nécessitaient l’acquisition d’images, puis le
traitement des données. Aujourd’hui, de
nouvelles pistes sont explorées. « On peut réaliser les calculs au fur et à mesure que la pièce tourne
sur elle-même, ou placer plusieurs moyens de calcul
en parallèle pour gagner du temps », souligne Loïc
Chérel (RX Solutions).
Chez Werth, par exemple, la reconstruction
3D se produit pendant le temps de la mesure.
Les nuages de points sont récupérés au fur
et à mesure par un cluster de PC, et c’est lui
qui effectue le calcul. « Il y a quatre ans, on avait
encore une heure d’analyse et trois heures de recons-
34
La tomographie
à rayons X
Principaux avantages
 Contrôle non destructif
 Accès aux structures internes des
pièces
 Possibilité de contrôler une large
gamme de matériaux (avec un
générateur approprié)
 Nombreuses applications : santé
matière (détection de défauts
tels porosités, bulles, variations
de densité, fissures non
débouchantes, etc.), analyse
dimensionnelle, contrôle
d’épaisseurs, contrôle d’assemblages complexes, numérisation
3D, rétroconception, etc.
Principales limitations

Coût
 Temps d’acquisition et de calcul
(si besoin de haute résolution)
 Certains éléments restent
difficiles à voir (fissures jointives,
matériaux très hétérogènes, etc.)
Secteurs concernés
Industrie (automobile, aérospatiale,
aéronautique, matériaux composites, plastiques, fibres optiques, etc.),
médecine, archéologie, sciences de
la vie, etc.
truction. Maintenant, c’est fini ! », s’exclame
Bruno Vetticoz (Werth France).
De nombreux progrès ont aussi été accomplis dans les logiciels d’analyse et de reconstruction 3D. L’impulsion, cette fois-ci, est
venue du domaine des jeux vidéo. En ouvrant
ses cartes graphiques à la programmation,
Nvidia a en effet permis d’utiliser des cartes
standards peu coûteuses, et de gagner beaucoup de temps au niveau du traitement des
données.
La première version du logiciel de reconstruction tomographique SnapCT de Digisens
(sortie en juillet 2007) exploite ces nouvelles possibilités. « SnapCT reconstruit un volume
de 512 x 512 x 512 mm en 12 secondes, alors
que les cartes spécialement conçues pour la reconstruction tomographique affichent pour ce même
volume un temps de 38 secondes, souligne
François Curnier (Digisens), qui va même
plus loin, « Désormais, il n’y a plus d’obstacles
techniques : la tomographie peut être installée en
ligne. »
La tendance, pour l’instant, concerne surtout
les applications de contrôle non destructif.
En métrologie, il faut que la pièce ait le
temps de redescendre à la bonne température avant d’être mesurée, et que l’exposition
soit assez longue pour obtenir l’image la plus
nette. Bref, « les temps sont encore trop longs pour
que des machines comme le TomoScope soient installées en production », précise Bruno Vetticoz
(Werth France).
En contrôle non destructif, on retrouve évidemment la même règle : plus le temps d’exposition aux rayons X est long, plus la résolution est fine. Si l’on souhaite réaliser un
contrôle à haute cadence par tomographie,
ce sera donc peut-être au détriment de la
résolution. « Les appareils ne rechercheront pas des
détails inférieurs à 5 µm, mais ils détecteront malgré tout un grand nombre de défauts permettant de
savoir si la pièce est bonne ou pas », indique
François Curnier (Digisens). Avant d’en arriver là, il faudra aussi améliorer la fiabilité des
appareils. « S’ils sont installés en ligne, ils devront
en effet tourner 24 heures sur 24 », précise Loïc
Chérel (RX Solutions).
Le jeu doit aussi en valoir la chandelle. La
tomographie à rayons X reste en effet une
méthode coûteuse puisqu’il faut compter de
250 000 à 800 000 € pour acquérir un tomographe (suivant la puissance du générateur, la qualité du capteur, etc.). Dans un
premier temps, un contrôle en ligne par tomographie ne sera donc justifié que pour
des objets à forte valeur ajoutée, des pièces
stratégiques jouant un rôle important dans
la sécurité d’un équipement, voire dans
l’image d’un fournisseur par rapport à ses
clients. « Il faut surtout se demander dans quel cas
il sera pertinent d’utiliser la tomographie à rayons X
pour réaliser un contrôle en ligne.A mon sens, il vaut
mieux maîtriser son process, et ne réaliser un contrôle à 100 % que lorsque l’on a un doute, estime
Jean-Claude Lecomte (Insidix). La tomographie
est un outil très intéressant pour développer un produit ou mettre au point un procédé. Cela serait une
erreur de la destiner uniquement à des applications
de contrôle qualité. »
Quel avenir pour la tomographie ? Pour certains, de nombreux développements sont
encore attendus au niveau des détecteurs
plans afin de trouver des solutions plus rapides. D’autres pensent surtout à des moyens
de s’affranchir des artéfacts de mesure.
D’autres enfin estiment que les logiciels de
reconstruction ont encore de beaux jours
devant eux dans les applications de métrologie et de contrôle non destructif. Une
chose est sûre, la tomographie n’a pas fini
de faire parler d’elle.
Marie-Line Zani-Demange
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