Tomographie à Rayons X par Zeiss

Principaux atouts et évolutions de la tomographie à rayons X

 

  • La tomographie à rayons X est une technologie de contrôle non destructif rendant possible l’analyse de pièces de géométries complexes ainsi que des cartes ou composants électroniques.
  • Elle autorise la reconstruction d’un objet et de son contenu en 3D et la distinction des différents matériaux qui le composent.
  • Ses performances dépendent notamment de la densité des matériaux et de l’épaisseur de la pièce à analyser.
  • Outre la détection de défauts internes, cette technique réalise aujourd’hui des mesures dimensionnelles.
  • Au fil des ans, les progrès des ressources informatiques ont permis de réduire sensiblement les temps de traitement qui peuvent la rendre compatible, dans certaines circonstances, à une exploitation en production.
  • Sébastien Brzuchacz , coordinateur Métier Tomographie au Cetim, expose les atouts de cette technologie d’analyse et ses principales évolutions. 

 

1- La tomographie à rayons X est une solution de contrôle non destructif permettant de caractériser l’état de santé des structures ou des matériaux. Sur quels principes reposent son fonctionnement ?
La tomographie est un principe de mesure physique s’appuyant sur une théorie mathématique qui permet de retrouver une valeur physique qui n’est pas celle que l’on mesure directement. S’agissant de la tomographie à rayons X, on cherche à mesurer l’atténuation du matériau à analyser qui est propre à chaque élément du tableau de Mendeleïev.

2- Quels sont les principaux avantages de cette technologie ?
La tomographie à rayons X offre la possibilité de contrôler des pièces de géométries complexes sur lesquelles il est difficile de poser des capteurs et/ou composées de plusieurs matériaux présentant différentes caractéristiques physiques. Elle rend également possible des contrôles volumiques. Elle autorise la reconstruction d’un objet et de son contenu en 3D et permet de distinguer les différents matériaux qui le composent. En CND, on distingue le contrôle volumique du contrôle surfacique qui ne pourra inspecter que la surface de l’objet (ou jusqu’à 1mm en dessous). La tomographie est, comme les ultrasons ou la radiographie, un contrôle volumique. Elle se distingue de ces 2 méthodes par le fait qu’elle positionne dans le volume les défauts détectés, contrairement aux 2 autres à qui il manque une dimension (généralement la profondeur).

3- Quelles sont ses applications de prédilection ? Les nouvelles applications ?
La tomographie à rayons X a d’abord était employée dans le domaine médical. Elle a été déployée pour la première fois dans l’industrie en France dans le secteur aérospatiale pour le contrôle de pièce produite en petite série voire à l’unité et à très forte valeur ajoutée. La principale application de la tomographie à rayons X reste le contrôle de santé matière pour identifier les défauts internes d’une pièce. Avec l’amélioration des systèmes de traitement des données, les images ont gagné en précision. La tomographie à rayons X s’applique désormais au contrôle d’assemblage. En proposant une meilleur qualité d’image et des détecteurs de plus grande dynamique, il est possible de visualiser en même temps des matériaux de différentes densités tels que le caoutchouc, le plastique ou encore le métal. Il est ainsi possible de vérifier la présence de différents éléments d’un assemblage et de s’assurer de leur intégrité. On peut par exemple s’assurer de l’existence d’un joint et du positionnement correct d’un ressort. Enfin, depuis quelques années, la tomographie permet de réaliser des mesures dimensionnelles à partir des images reconstruites, que ce soit du simple relevé de cote à des opérations de tolérancement ou des comparaisons 3D avec d’autres volumes. Un gros travail est d’ailleurs réalisé sur les incertitudes de mesure par les fournisseurs d’équipement. La tomographie à rayons X reste néanmoins généralement dédiée à des expertises ponctuelles en phase de R&D lors de la conception d’une nouvelle pièce ou lors de la production de présérie. Elle peut aussi être exploitée pour analyser une défaillance lorsqu’un problème inhabituel survient. Cette technologie est pour le moment marginalement employée en production. Dans le secteur aéronautique, elle peut cependant être mise en œuvre pour contrôler des parties spécifiques de l’ensemble des pièces produites. C’est notamment le cas des pieds d’aubes de turbines. Les choses devraient évoluées avec l’intégration de la fabrication additive en production.

4- Quelles sont les applications ou les matériaux auxquels la tomographie n’est pas adaptée ? Pour quelles raisons ?
La tomographie s’applique à tous types de pièces et de matériaux, car les rayons X peuvent traverser n’importe quelle matière. En pratique, Il y aura des limitations liées au matériel utilisé: l’énergie maximale du tube à rayons X limitera la quantité de matériaux contrôlable, la taille du foyer du tube à rayons X limitera la résolution du contrôle, le champ de vue (combinaison entre la largeur du détecteur et l’ouverture du faisceau X délivré par le tube) limitera le diamètre des objets contrôlables, et la dimension de la cabine de radioprotection et la course des axes mécaniques sur lesquels sont fixés tube X et détecteur limiteront la hauteur de la pièce contrôlable. Grosso modo, plus une pièce sera grande, ou plus son matériau sera dense, moins bonne sera la résolution de son contrôle. Il existe également une limite dans la visualisation de matériaux de densités différentes sur une même image. Si les matériaux denses sont majoritaires dans une pièce, il ne sera pas toujours possible d’observer de petits éléments de plus faible densité. Cette limite est malheureusement empirique et il est difficile de la chiffrer dans un cadre général.
Au-delà de ces limitations, la tomographie ne peut se mettre en œuvre que sur des pièces ou systèmes fixes qui ne doivent pas bouger pendant l’acquisition. Il n’est pas possible de scanner des pièces en mouvement ou dont l’évolution est plus courte que le temps de scan. Ce dernier étant généralement de plusieurs minutes au minimum, cela limite très fortement la tomographie de systèmes dynamiques.

5-Les méthodes de tomographie par rayons X exigent la mise en place d’importants moyens de protection et de gestion administrative. Existe-t-il des évolutions dans ce domaine ?
Sébastien Brzuchacz. L’usage de cette technologie exige en effet la déclaration à l’Autorité de Sûreté Nucléaire (ASN) des tubes à rayons X dont il faut délivrer le certificat de conformité que son fabricant doit fournir. Tout le système doit être enfermé dans une cabine radioprotégée. Les murs, le plafond et le sol doivent être entièrement en plomb ou en béton recouvert d’un revêtement en plomb. Ce qui représente un investissement conséquent. Il faut compter environ 100 000 euros pour une cabine de 3 mètres de longueur, 2 mètres de largeur et 2,5 mètres de hauteur. La réglementation n’exige pas de qualification particulière des utilisateurs mais leur exposition aux rayons X doit être contrôlée par un dosimètre relevé tous les trimestres et ils font l’objet d’un suivi médical annuel réclamant une prise de sang.

6- La tomographie à rayons X peut désormais être utilisée pour réaliser des mesures dimensionnelles. Dans quelles conditions, quels types de mesures peuvent être réalisées et avec quelles performances ?
La possibilité de réaliser des mesures avec les systèmes de tomographie à rayons X est à mettre sur le compte des progrès des ressources informatiques et de l’augmentation de la taille de détecteurs. En 15 à 20 ans, les détecteurs les plus grands sont passés de 100×100 mm à 400x400mm. Parallèlement, les capacités de stockage et les profondeurs de mémoire RAM des PC ont très régulièrement progressé. Il faut savoir qu’un détecteur de 1024×1024 pixels génère 3Go de données qu’il faut pouvoir stocker et traiter. La reconstruction de l’image en produit 3 Go supplémentaire. Soit un total de 6Go. L’analyse dimensionnelle des images est très gourmande en capacité de traitement. Il faut disposer de ressources en rapport avec le volume de données à prendre en charge pour déterminer sur l’image les contours des éléments de la pièce puis de réaliser les mesures souhaitées.
Alors qu’avec une machine à mesurer tridimensionnelle, la performance de mesure est identique pour tous types de pièces, celle d’un tomographe à rayons X dépend de la taille de l’objet et du matériau le constituant. Elle diffère selon qu’il s’agisse de plastique ou d’acier. De plus, la détermination de l’incertitude réclame une expertise métrologique de haut niveau. D’ailleurs pour les tomographes à rayons X, on parle plutôt de tendances ou d’indication de mesure. Aujourd’hui les fournisseurs les plus avancés concernant la métrologie exploitant cette technologie sont Werth et Zeiss. Ils sont à même de fournir des incertitudes de mesure pour certaines tailles de pièces et pour certains matériaux. Dans le meilleur des cas, on peut atteindre des niveaux d’incertitude de quelques micromètres qui vont se dégrader lorsque la taille de la pièce et la densité du matériau augmentent.
Ces aptitudes de mesure présentent néanmoins l’indéniable intérêt de pouvoir réaliser des mesures sur des faces cachées à l’intérieur d’un objet. On n’est plus obligé de découper la pièce pour effectuer ces contrôles. Un verrou s’est donc levé. Même si les mesures ne sont pas aussi précises que celles obtenues avec d’autres technologies, elles permettent de ne pas détruire la pièce. Ce qui était jusqu’alors impossible.

8- Les tomographes peuvent-il être employés comme système de mesure automatisés en ligne? Leur vitesse de traitement sont-ils compatibles aux cadences de production ?
Les contraintes d’exploitation en production se situent au niveau de la vitesse de traitement et le dispositif de protection à mettre en œuvre. Le contrôle d’une pièce et le traitement des données peut durer de quelques minutes à plusieurs heures. Volkswagen a néanmoins mis en place dans une de ses usines allemandes avec GE un dispositif de contrôle à rayons X qui permet de scanner en production une culasse en deux à trois minutes. Mais il me semble qu’il s’agit encore d’une vitrine technologique. Un tel système réclame actuellement un investissement de l’ordre du million d’euros. Mais il existe un réel besoin dans le domaine automobile, et notamment pour la fabrication des culasses, d’atteindre des niveaux de performances permettant aux tomographes d’être employés sur une ligne de production.
Les tomographes à rayons X installés en production devront être équipés d’un bras articulé ou d’un système de convoyage pour insérer la pièce dans la cellule d’inspection et il faudra toujours adapter la machine aux dimensions de la pièce et à la densité des matériaux la constituant ainsi qu’aux défauts que l’on cherche à identifier. Dans un premier temps, cela s’appliquera plutôt aux pièces de petites à moyennes dimensions.

9- Les tomographes peuvent-ils combiner des contrôles de santé de matière et des capacités de mesure ?
C’est tout l’intérêt de cette technologie. Examiner la santé matière et réaliser l’analyse dimensionnelle d’un objet en un seul contrôle. On peut également utiliser des tomographes à rayons X pour des opérations de rétro-conception. Ce qui permet d’exploiter pour la simulation le modèle d’une pièce intégrant ses éventuelles imperfections de fabrication. On exploite donc un modèle de la pièce très semblable à ce qu’elle est en réalité plutôt que son modèle de conception théorique. Le processus de rétro-conception n’était pas évident à mettre en œuvre car il réclame la mise en œuvre de diverses traitements et plates-formes logicielles. L’offre logicielle est maintenant disponible.

10- Quels sont les principaux progrès de ces technologies ?
Les capacités de traitement informatiques et de stockage sur disques durs ainsi que les profondeurs de mémoire RAM disponibles sont aujourd’hui suffisantes pour les traitements à réaliser. Plusieurs cartes graphiques sont exploitées par les tomographes à rayons X pour la reconstruction d’images. Mais la possibilité du traitement des tâches en parallèle par les processeurs multi-cœurs n’est pas encore suffisamment mise à profit. Le parallélisme des traitements doit encore progresser. Le développement de détecteurs plan de plus grandes dimensions est une évolution attendue. Mais c’est surtout au niveau de l’amélioration de la performance du tube à rayons X, qui détermine la taille du plus petit détail que l’on va pouvoir visualiser, que le besoin se fait sentir. Des tubes offrant davantage de résolution et d’énergie sont indispensables pour notamment mieux traiter des matériaux en acier ou en Inconel. La taille du foyer est un peu le nerf de la guerre dans la recherche de meilleures résolutions en tomographie. Elle est limitée par la technologie des tubes X. On peut atteindre des tailles comprises entre 5µm et 50µm, mais pour de faibles énergies ou un faible débit de dose. Dès que l’énergie du tube X est importante (> 300kV), la taille du foyer devient supérieure à 0,5mm (typiquement de l’ordre d’1mm). Autrement dit, plus on doit traverser de matière pendant le contrôle, moins bonne sera la résolution. A épaisseur égale, on obtiendra de moins bonne résolution dans les matériaux métalliques que dans les matériaux plastiques.

 

 Sébastien Brzuchacz, Coordinateur Métier Tomographie au Cetim
Sébastien Brzuchacz , coordinateur Métier Tomographie au Cetim