CE42 - Capteurs, instrumentation

Contrôle non destructif de changements micromécaniques locaux par champ proche micro-onde – OmicroN

Contrôle non destructif de changements micromécaniques locaux par champ proche micro-onde

Le projet OmicroN repose sur le développement d’une méthodologie innovante de mesures permettant de déterminer les contraintes dans des composants métalliques de petites dimensions, basée sur la microscopie à sonde locale micro-onde. La nouveauté et le potentiel de rupture de cette méthode résident dans le caractère tomographique 3D de la technique, la résolution nanométrique et la sensibilité.

Etalonner la relation entre l’état de contrainte et le signal micro-onde - Distinguer contrainte de compression et de traction - Développement instrumental

- D’un point de vue scientifique, le projet doit répondre à trois questions importantes : <br />(i) Comment étalonner la relation entre l’état de contrainte et le signal micro-onde ? Pour obtenir la valeur de contrainte en MPa, il est nécessaire d’avoir une conversion des mesures des signaux micro-ondes (dB) en mesure de contrainte (Mpa). La mise au point d’une méthodologie permettant d’obtenir les courbes de correspondance entre les évolutions des signaux observés et les contraintes présentes est nécessaire. <br />(ii) Comment distinguer contrainte de compression et de traction ? Réalisation d’échantillons d’étalonnage et banc de mesure spécifiques pour décorréler les deux composantes. <br />(iii) Quelle est la composante de la contrainte analysée (aspect tensoriel de la contrainte) ? Nous devons vérifier si nous mesurons un invariant du tenseur de contraintes ou une composante spécifique ? <br />- D’un point de vue industrielle, le projet doit à répondre à deux problématiques : <br />(i) Mesure de contraintes sur un microswitch tactile afin de comprendre les évolutions des caractéristiques des dômes <br />(ii) Développement instrumental : Adaptation instrumentale d’une technique micro-onde quantitative d’intérêt industriel (mesure sans contact quantitative stable et rapide à l'échelle demandée).

L’objectif est de pouvoir analyser les contraintes résiduelles, voire la déformation plastique cumulée (l’écrouissage) au travers du couplage multi-physique avec la conductivité électrique sur des échantillons d'étalonnage (mesures in-situ d'éprouvettes spécifiques en traction uni-axiale, micro-interrupteur estampé ...). Pour cela Le programme scientifique du projet OmicroN comprend des parties modélisations et expérimentales interconnectées entre elles, impliquant chaque partenaire dans le développement d’une nouvelle technique innovante de mesures de contraintes avec son développement instrumental spécifique.
L’élaboration d’échantillons se fera à partir de la modélisation numérique et analytique permettant de connaître les niveaux et les gradients d’état mécanique (contraintes, écrouissage), modèles qui évolueront aussi en fonction des retours des expériences.
Les échantillons et maquettes représentatives seront réalisés selon les spécifications liées à la nature du matériau, à sa microstructure et à son dimensionnement, nécessaire à l’étalonnage de la technique micro-onde. Les propriétés mécaniques (élasticité, plasticité, contrainte) de ces échantillons seront expertisées afin de séparer les effets dus à la plasticité et aux contraintes résiduelles.
Le développement instrumental spécifique intégrera l’ensemble des résultats des précédents lots. Nous visons la réalisation d’une technique non destructive sans contact, plus sensible, plus résolutive pour suivre tout au long d’une fabrication, l’évolution des profils de contraintes de petits composants. L’ensemble sera en lien étroit avec l’obtention de mesures quantitatives et une modélisation optimisée du profil de contrainte appliqué à l’estampage des dômes de contacteur électrique.

Après dix-huit mois a été évalué l'impact de la déformation plastique (dislocations) à partir d'éprouvettes en laiton sur le signal micro-onde. Une corrélation globale entre DRX et signal micro-onde a été obtenue dont le résultat principal est que la déformation plastique (écrouissage) provoque des variations du signal SMM de seulement 0,2 dB, à comparer à plusieurs dB pour les contraintes. Concernant le signe de la contrainte, l'étude est en court de réalisation à partir de gabarits imposant au matériau (laiton et acier 301) un état de contrainte connu à partir de bandes laminées en acier 301 et de laiton. Pour le développement instrumental, la réalisation d’un ensemble de prototypes fonctionnels de résonateurs micro-ondes accordables couvrant la gamme 300MHz-10GHz est finalisée. Le pilotage des axes de déplacement de l'échantillon, gestion des capteurs, cinématique, calibration tridimensionnelle du système, acquisition du signal, interface homme machine, affichage et traitement des données pour le dispositif pointe droite ont été également validés.
Pour finir, concernant la partie sur l'application à l’estampage de dômes de contacteurs électriques ont démarré : (i) Initiation des corrélations simulations/mesures des différentes phases d’estampage pour la réalisation d’un dôme; (ii) suivi des évolutions des caractéristiques mécaniques par mesure micro-ondes en fonction de l'étape de fabrication

- Conversion dB en MPa
- Développement instrumental du dispositif avec pointes droites
- Signe de la contrainte
- Couplage mécanique/électromagnétisme

Rien pour l'instant

Au laboratoire ICB, une technique originale de microscopie micro-onde subsurfacique à résolution nanométrique sur base d’un microscope à force atomique (AFM) est développée : SMM (Scanning Microwave Microscopy). Cette technique est prometteuse dans l’analyse non destructive allant jusqu'à une profondeur de quelques dizaines de microns sous la surface de matériaux métalliques (profondeur dépendant de leur conductivité électrique, perméabilité magnétique, permittivité). La nouveauté et le potentiel de rupture de cette méthode résident dans son caractère tomographique 3D, sa résolution nanométrique et sa sensibilité. La profondeur investiguée dépend de la fréquence de l'onde, ce qui ouvre la possibilité de sonder la matière à différentes profondeurs. En étudiant le couplage entre le matériau et l'onde, nous avons mis en évidence des changements micromécaniques locaux (contraintes résiduelles, dislocations, hétérogénéités de composition), composition de phase, fréquemment rencontrés dans le domaine des matériaux métalliques et des procédés de fabrication de petits et moyens composants. L'objectif du projet OmicroN est d’approfondir l'aspect mesures de variations de conductivité induites par des changements micromécaniques. Le but est de proposer à la communauté scientifique et industrielle une nouvelle méthode de mesure de contrôle non destructif (CND) de contraintes par micro-ondes. Nous proposons d’établir un protocole d’étalonnage des mesures pour différents matériaux. Un travail préliminaire a montré la faisabilité de la méthode. Le projet vise à évaluer par méthode numérique la meilleure manière d'extraire les informations concernant les contraintes et la densité de défauts par un traitement du signal micro-onde approprié. Nous proposerons une méthodologie de validation et d’étalonnage afin de pouvoir obtenir une mesure de la contrainte directe. Le développement d’une instrumentation spécifique de CND sans contact est nécessaire pour palier au problème engendré par l’utilisation des leviers AFM qui génère des éléments capacitifs parasites en fonction de la force de contact entre la pointe et l'échantillon et qui est limitée à de faibles variations géométriques de l'échantillon. Nous développerons la fabrication de sonde locale micro-onde à pointe droite associée à des circuits résonateurs pour ajuster la gamme de fréquences utiles à l’étude. L'établissement d'une base de données matériaux est envisagée pour servir ultérieurement de banque d'échantillons de calibration.
Le projet repose sur les compétences de deux laboratoires, ICB (microscopie à sonde locale, défauts, contraintes, mesures mécaniques, électromagnétisme) et ICD (contraintes, écrouissage, traitement de surface, modélisation) et deux entreprises C&K components (estampage, métallurgie, élaboration de micro-interrupteur tactile) et ARDPI (conception, fabrication et intégration de systèmes de mesure sans contact).

Coordinateur du projet

Monsieur Eric Bourillot (LABORATOIRE INTERDISCIPLINAIRE CARNOT DE BOURGOGNE - UMR 6303)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

ARDPI ARDPI
ICB LABORATOIRE INTERDISCIPLINAIRE CARNOT DE BOURGOGNE - UMR 6303
UTT - ICD Université de Technologie de Troyes - Institut Charles Delaunay
C & K C&K COMPONENTS SAS

Aide de l'ANR 454 025 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2020 - 48 Mois

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