Des chercheurs utilisent des techniques de mesure 3D pour mettre au point de nouvelles méthodes d’usinage de pièces métalliques

Le commun des mortels pense aux musiciens du conte quand il entend parler de Brême. Les ingénieurs passionnés y voient autre chose, à savoir le foyer du Distortion Engineering. Une expression forgée par l‘université de Brême, qui a institué en 2001 l‘unité de recherche spéciale éponyme 570, subventionnée par la Communauté allemande de Recherche (DFG). L‘institut brêmois des techniques de mesure, de l‘automatisation et des sciences de la qualité (BIMAQ) y participe. Au moyen d‘une machine à mesurer tridimensionnelle Leitz Reference, il examine à la loupe les déformations de pièces courantes dans la construction automobile pour en déterminer l‘origine. Un autre projet du BIMAQ porte sur l‘énergie éolienne: dans un proche avenir, on compte relever des éléments d‘engrenage volumineux pour obtenir de précieuses informations relatives à l‘optimisation de l‘usinage.

Le BIMAQ possède un laboratoire de mesure bien équipé. Cette salle de 160 m2 héberge toute une panoplie de machines à mesurer tridimensionnelles, d‘appareils de mesure de dentures et de rugosité offrant une très haute précision. Pour ses recherches, il utilise aussi plusieurs systèmes permettant de réaliser des contrôles pendant le process et des analyses non destructives de zones marginales en combinaison avec des équipements tactiles, optiques, thermiques et acoustiques et des capteurs. Ce parc comprend notamment une MMT Leitz Reference avec une plage de mesure de 1 000 x 700 x 600 mm et le logiciel de métrologie QUINDOS 7. 

Objets d‘essai: des dentures courantes dans la construction automobile

Les scientifiques se servent de la MMT pour passer au crible les déformations subies par des dentures courantes dans la construction automobile. « L‘unité de recherche spéciale Distortion Engineering a été créée en 2001. Nous sommes arrivés à la troisième et dernière phase de recherche, qui consiste à analyser les dentures», indique Gert Goch, directeur de l‘institut et professeur ingénieur. «Nous partons du principe que la déformation est le résultat de différents processus interdépendants. C‘est pourquoi nous examinons toute la chaîne de production, de la matière fondue à la rectification des engrenages en passant par le taillage de matériaux tendres et la trempe». A cet effet, les scientifiques déterminent 1 800 pignons marquant chacun une étape bien précise dans le cadre du processus de fabrication. Les éléments viennent tous de la même ligne de coulée d‘acier et présentent un diamètre de 120mm et un alésage de 45 mm. L‘institut des matériaux prête main forte au BIMAQ dans le cadre de ce projet. Il dispose de l‘équipement et du savoir-faire nécessaires pour réaliser ces roues dentées. L‘«histoire» des roues fait l‘objet d‘une documentation minutieuse, mémorisée dans une base de données, afin que le personnel du laboratoire puisse retrouver facilement par la suite l‘étape du process où la déformation est survenue.

«Nous exécutons des mesures complètes et précises des pignons en respectant les plans d‘essai», explique Martina Fuhrmann, collaboratrice scientifique du BIMAQ. La machine Leitz Reference saisit 750 points de mesure par seconde. Elle présente une erreur de mesure de longueur volumétrique de 0,9 + L/350 μm, qui constitue une bonne base de travail. «Nous relevons un grand nombre de points au moyen de la méthode du High Speed Scanning. Et mesurons sur toutes les dents 9 x 3 lignes pour reproduire la topographie des profils. Nous radiographions avec la même minutie la face frontale du pignon. Au bout du compte, nous obtenons une description complète de l‘objet et procédons alors à une analyse étendue des points de mesure afin de déterminer les écarts et déformations. Dans une prochaine étape, nous avons la possibilité d‘élaborer de nouvelles stratégies pour l‘usinage et la mesure de dentures».

Un projet phare: la réalisation d‘éléments d‘engrenage plus stables pour l‘énergie éolienne 

Alors que le projet en est encore aux prémices, l‘équipe explore déjà de nouveaux champs de recherche prometteurs avec la Leitz Reference. La fabrication d‘engrenages de grandes dimensions pour les installations éoliennes recèle un immense potentiel d‘amélioration. Bien que ces installations soient conçues pour fonctionner vingt ans, la plupart des engrenages rendent l‘âme bien plus tôt, au bout de six ans environ. A cela s‘ajoute la difficulté de se procurer des pièces de rechange. Les carnets de commandes des fabricants sont pleins à craquer et les délais de livraison sont donc très longs. 

Aussi, plusieurs exploitants se sont déjà adressés à l‘institut pour lui confier des mesures en sous-traitance. «Si on suspecte le planétaire d‘un engrenage de provoquer des irrégularités, c‘est à nous d‘éclaircir le point. Les plans de construction ne sont pas disponibles. Pour déterminer la construction du planétaire, les exploitants ont comme seule ressource la rétroconception. Avec la machine Leitz Reference et le logiciel QUINDOS 7, spécialement adapté aux dentures, nous pouvons relever des composants dont le diamètre se trouve dans une certaine plage». Le BIMAQ a démontré sa maîtrise de la mesure de géométries non connues en examinant un planétaire. Le pignon présentait un grippage et devait de ce fait être remplacé le plus rapidement possible. A l‘appui de la MMT Leitz Reference et du logiciel QUINDOS 7, les collaborateurs du BIMAQ ont relevé divers paramètres, tels que le diamètre primitif de référence, la forme du profil, les angles d‘attaque et d‘hélice, pour en déduire la géométrie du pignon. 

Face aux frais de maintenance élevés, les exploitants de systèmes éoliens font pression pour obtenir des engrenages de meilleure qualité et minimiser de cette façon les défaillances. Le BIMAQ est confronté au défi suivant: comment réaliser des mesures pertinentes de grosses roues de cylindre qui tiennent compte des impératifs industriels et autorisent une bonne prédiction des propriétés fonctionnelles et la durée de vie d‘un pignon? Quelles sont les sources d‘erreur entraînant des dommages comme la déformation et d‘autres types de défaut? Quelles mesures sont nécessaires pour que les fabricants d‘engrenages de grandes dimensions maîtrisent le processus de fabrication et puissent l‘améliorer? C‘est à une machine à mesurer tridimensionnelle Leitz de la série PMM-F, dotée d‘une plage de travail de 2 500 x 2 000 x 700 mm et conçue pour le relevé de grandes pièces, qu‘il reviendra de répondre à ces questions. 

Une source d‘information de haute précision: la Leitz PMM-F 

«Dès que la nouvelle machine aura intégré son environnement de travail, nous pourrons nous investir à fond dans le projet éolien», observe le Pr Goch. «Hexagon Metrology a mis au point un concept adapté à nos exigences. La nouvelle machine sera encastrée dans le sol. Dans cette configuration, la table de mesure se trouvera au niveau du sol. Les composants éoliens sont déchargés sur un quai et transportés par aéroglisseur jusqu‘à la Leitz PMM-F. La manipulation des pièces est donc très simple». Le BIMAQ prévoit d‘adopter la même stratégie de mesure que pour les engrenages, à savoir effectuer un relevé complet de trains de pignons marquant chaque étape du process. Les erreurs géométriques périodiques, comme les faux-ronds et défauts de pas, fourniront de précieuses informations aux scientifiques. 

Pour déterminer l‘origine de dommages et de défaillances d‘installations éoliennes, il est aussi nécessaire de traiter les informations livrées par les capteurs intégrés. Ces capteurs mesurent au sein du système l‘état de différentes grandeurs physiques, telles que les vibrations. Mais la base de données obtenue s‘avère insuffisante pour une radiographie complète. Il faudrait disposer de capteurs capables de mesurer les forces dynamiques, tensions et couples sur des dizaines d‘années. Le BIMAQ participe activement à l‘optimisation de ces éléments. Les machines à mesurer tridimensionnelles Leitz de l‘institut ne chômeront donc pas.