Un industriel américain utilise un système rapide d’acquisition de données pour améliorer ses possibilités de production

Alors que les entreprises manufacturières, à travers le monde, cherchent à améliorer la qualité de leurs produits, aux Etats Unis, des chercheurs ont utilisé un équipement de mesure HBM pour assurer leur compétitivité internationale.

De manière à rester concurrentiel, un industriel américain ne ménage pas ses efforts et pour cela a opéré de nombreux changements fondamentaux, entièrement concentrés sur une meilleure conception et des constructions complexes, particulèrement adaptées aux besoins de ses clients en fournissant des produits de grande qualité. La demande mondiale exige que ces produuits doivent être construits rapidement de façon à répondre aux demandes du marché extrêmement changeantes. Les fabricants doivent ainsi réduire les cycles de développement de leurs produits et augmenter la flexibilité et la vitesse des systèmes de production par des réseaux d'approvisionnement. Cela doit être accompli tout en réduisant les besoins en énergie et en évitant les incidences sur l'environnement.

Pour un des principaux fabricants de revêtements, aux USA, le défi majeur a été sa capacité de prévoir exactement les meilleurs paramètres d’usinage dans un process particulier.

C'est pourquoi aux Etats-Unis, le principal objectif du centre de recherche du National Institute of Standards and Technology (NIST) a été de développer des méthodes avancées de processus et d’outils métrologiques pour accentuer la compréhension scientifique des processus de fabrication existants.

Buts des recherches

La recherche prévoit d'établir des bases permettant de développer les nouvelles applications industrielles qui renforceront la compétitivité internationale des Etats-Unis.

Plusieurs processus ont été développés et sont devenus une référence importante pour de nombreux processus de fabrication et le NIST a estimé que ceux-ci exigeaient des approches métrologiques communes.

  • Les phénomènes communs observés dans les process par le NIST passaient par une meilleure compréhension des forces, des températures, des propriétés propres aux matériaux et des transformations de ces matériaux en particulier pour les  interfaces outils.
  • L'autre axe important suivi, a été de regarder les possibilités de réduire l'impact de l'usure des outils sur ses propres performances, de diminuer le frottement et de prendre en compte les considérations vibratoires pendant un processus de fabrication.

L'impact de tous ces changements a pour conséquence de modifier ses pratiques en matière de fabrication, en passant d'une expérience humaine vers une modélisation scientifique, une plus grande prise de décision et une  production efficace. Le NIST a développé un programme de mesures, de normes et d'outils fondamentaux pour aider les fabricants à opérer cette   transformation.

Échantillons dans une barre Split Hopkinson

La partie essentielle de la recherche du NIST se rapporte au développement d'une barre Split Hopkinson de précision ou Split Hopkinson Pressure Bar, avec la possibilité d’un échauffement rapide. Le dispositif a été développé pour fournir des informations sur les propriétés des matériaux de manière à améliorer la modélisation par éléments finis de processus d’usinage à grande vitesse.

La barre Split Hopkinson du NIST est constituée de deux barres de 1.5 m de long et de 15 mn de diamètre, construite en acier haute résistance, montées sur des roulements pour permettre un glissement axial facile des barres tout en résistant à la flexion dans les autres directions. L'ensemble est donc composé d'une Barre d'entrée et d'une Barre de sortie. Une troisième barre, dite Percuteur complète le système. Cette barre est faite du même acier que les deux barres principales. Elle est beaucoup plus courte mais a le même diamètre et peut se déplacer facilement.

Pour les expérimentations, l’échantillon cylindrique du matériau à tester, est positionné entre les deux barres principales et il est soigneusement aligné pour une obtenir une symétrie axiale. Cela signifie qu’en ignorant les effets radiaux, toutes les données recueillies peuvent être analysées en utilisant la théorie de l'onde unidimensionnelle. Un pistolet pneumatique est alors mis à feu à diverses vitesses pour lancer le percuteur contre la barre d'entrée

L'impact du percuteur génère une onde de déformation de compression qui se propage le long de la barre d'entrée pour atteindre l'échantillon. Ainsi, l'échantillon est rapidement impacté par l’onde de déformation de compression. Quand l’onde arrive à l'échantillon, la différence d'impédance entre la barre et l'échantillon coupe l'onde d'entrée en deux parties.

Une partie est renvoyée dans la barre d'entrée, c'est une onde de traction. La deuxième partie continue en tant qu'onde de compression, de manière rapide et permanente, pour déformer plastiquement l'échantillon. L’onde de compression se propage alors dans la barre de sortie. La barre Split Hopkinson du NIST est conçue de sorte que seul l'échantillon soit affecté par une  déformation plastique.

La barre Split Hopkinson du NIST facilite la transformation des pratiques en matière de fabrication vers une modélisation scientifique, une prise de décision et une production efficace.

Echauffement par impulsions

En plus, le dispositif du NIST a été complté par un système d’échauffement résistif et contrôlé offrant un angle métrologique remarquable pour l'échantillon testé.

A l’origine, le système d’échauffement avait été développé pour mesurer les propriétés physiques des métaux avec une température élevée, comme le point critique de fusion d'un métal pur. Maintenant, il a été amélioré pour préchauffer extrêmement rapidement l'échantillon expérimental, grâce à des impulsions de courant électrique, contrôlées avec précision.

La barre Split Hopkinson du NIST peut chauffer l’échantillon d'essai à des températures autour de 1000ºC en moins d'une seconde. Ces températures peuvent être tenues pendant plusieurs secondes, avant de couper rapidement le courant. Des essais de compression dynamiques peuvent ainsi être réalisés sur les échantillons rapidement chauffés avec des vitesses de déformation jusqu'à 104 sec-1.

Cette combinaison de la barre Split Hopkinson du NIST et de l'échantillon préchauffé permet aux chercheurs d'étudier à n'importe quelle température indiquée, l'influence des taux d’échauffement et du temps sur le flux de contraintes des aciers carbone de façon à simuler des opérations d'usinage à grande vitesse.

Bien que le taux d'impulsion-échauffement soit inférieur à celui normalement observé dans les processus d’usinage à grande vitesse, il est beaucoup plus rapide que le préchauffement des échantillons utilisant les méthodes plus traditionnelles. La solution NIST est un avantage parce qu'elle permet d’obtenir ainsi la mesure de flux de contraintes puisque réaliser des process thermiques exige moins de temps, par exemple le recuit de dislocation, la croissance des grains et les phases de transformation en état solide.

Importance de l’acquisition de données

Il est essentiel que la barre Split Hopkinson du NIST soit surveillée par un système d’acquisition de données et d’analyse de très haute performance puisque le premier objectif des essais est de rassembler des données qui faciliteront le développement métrologique de méthodes de processus avancées et d'outils.

Généralement cinq à dix essais sont réalisés sur un matériau simple, il faut donc pour cela répéter les essais et le système DAQ doit être capable d'assurer une bon traitement et comparaison des données issues des différents essais. Chaque essai peut être destructif, lorsque les échantillons sont très fins et déformés de manière permanente pendant le test.

Cela exige un certain nombre de conditions sur la conception même du système DAQ pour être sûr que toutes les données concernées ont été correctement acquises et puissent être analysées plus tard, en sachant que la durée d'un essai est seulement de quelques millisecondes.

Pour être certain de réunir toutes ces conditions, le NIST a développé son  système avec un logiciel intégré appelé Split Hopkinson Bar Data Processing And Distribution System (PADS).

Le système d’acquisition de données Genesis HighSpeed de HBM assure la mesure des données de la barre Split Hopkinson PADS. HBM pouvaient répondre aux exigences du NIST puisque le Genesis HighSpeed est un système DAQ robuste capable d’acquérir, durant l'essai, toutes les données appropriées sur les trois points clés suivants:

  • l'impact initial de compression,
  • l'onde reflétée des contraintes de compression
  • et l’onde continue de traction,

dans un laps de temps très court. Avec sa grande expertise métrologique internationale, HBM était capable de fournir tous les capteurs, les systèmes d’acquisition et de traitement des données dont avaient besoin les chercheurs pour constituer leur système de mesure partant des jauges de contrainte jusqu’au logiciel d'analyse.

Un des avantages du système Genesis HighSpeed HBM est qu'il peut également enregistrer avec exactitude des tensions basses grâce à son convertisseur A/N haute vitesse. Le système DAQ doit avoir une réponse en fréquence élevée pour pouvoir enregistrer un signal qui dure habituellement moins d'une milliseconde. Généralement la réponse en fréquence minimale de tous les composants du système d’acquisition de données devrait être de 2 MHz pour des données issues de jauges de contrainte et de 100kHz pour les autres données.

Les jauges d'extensométrie permettent de déterminer les contraintes sur les barres expérimentales Hopkinson. Habituellement deux jauges de contrainte sont diamétralement fixées, symétriquement sur la surface des barres. Les jauges de contrainte sont installées aux points milieux des barres d'entrée et de sortie et permettent de déterminer la déformation de l'échantillon. Les  jauges de contrainte sont conditionnées par un pont de Wheatstone. Dans ce type d'expériences, la tension produite par le pont de Wheatstone est de  l'ordre des millivolts.

Les deux points de mesures sont composés de jauges de contrainte linéaires standard montées en pont complet. Les jauges de contrainte situées sur la barre d'entrée ont deux rôles, en effet elles mesurent la déformation entrant   sur l'échantillon et la déformation renvoyée lorsque le projectile heurte les barres. Les jauges de contrainte placées sur la barre de sortie enregistre les déformations transmises ayant traversées l'échantillon et se propageant sur cette deuxième section de la barre Hopkinson.

Un autre avantage du système Genesis HighSpeed est sa grande facilité d'utilisation et le logiciel associé peut facilement être modifié pour répondre aux besoins particuliers de n'importe quelle application. La combinaison de l'équipement d’acquisition de données Genesis HighSpeed et de la  connaissance de HBM sur les mesures de contrainte et sur les jauges de contrainte permettent à la société HBM de fournir aux clients une solution d'expertise unique.

Le système d'acquisition Genesis HighSpeed de HBM est le coeur du système d'expérimentation du NIST
Les caméras grande vitesse sont utilisées dans l'exéprimentation pour assurer une information visuelle relative aux données enregistrées par le Genesis HighSpeed de HBM

Analyse facile des données

Historiquement, les ingénieurs analysent les données acquises dans ces expériences en employant des scripts manuscrits et les langages standards comme Fortran ou Matlab. Cependant, le Genesis HighSpeed et le logiciel associé de HBM offrent d'excellentes interfaces utilisateurs graphiques (GUI) et donnent ainsi aux ingénieurs de nouveaux outils performants.

Les ingénieurs ont réalisé les essais, analysé les données et constitué des bases de données. Toutefois, HBM fournit une base de données étendue permettant aux chercheurs de stocker les données originales, avec les paramètres de conditionnement et peuvent retraiter les données en temps réel si nécessaire. C'est très utile lorsque l’on produit des courbes de données effort/contrainte avec la barre Split Hopkinson. Avec l'appareil Genesis HighSpeed, il est possible d'accéder aux données sur réseau par l'intermédiaire d'un serveur d'archivage ou de les télécharger sur un PC portable pour être utilisées en mode autonome en recherchant aisément l’enregistrement d’essai complet.

Un exemple de l'utilité de ces possibilités est le Data PADS, qui interactivement recalcule les relations efforts/contraintes et autres courbes de données avec diverses hypothèses en stockant à la fois les données brutes et les données des jauges de contrainte en décrivant comment les données des jauge de contrainte devraient être traitées. Le Data PADS développé par NIST inclut également une base de données contenant la vidéo rapide, la vidéo de la caméra thermique, les données pyrométriques, les données du capteur de vitesse du projectile, ainsi  que les exposés techniques et l'information associée. En outre le logiciel permet l'accès à de multiples utilisateurs qui peuvent exécuter différents types d'essais avec le système et dans diverses configurations.

En plus des données normales comme les constantes d’étalonnage et les conditions d'essai, l'équipement de la barre Split Hopkinson du NIST produit un large éventail, à la fois de données bidimensionnelles telles que le courant, la température, la position du projectile et les données des jauges de contrainte par rapport au temps et de données tridimensionnelles comme les images thermiques et les images de l'essai en fonction du temps pour avoir une gamme complète des données.

Conclusion

L'utilisation de l'appareil Split Hopkinson Bar du NIST a permis de réaliser des simulations sur le problème fondamental de la formation d’un copeau. Pendant la formation du copeau, la pièce de travail et l’outil agissent l'un sur l'autre dans des conditions extrêmes de pression et de température. Ceci a comme conséquence une grande déformation plastique avec un taux très élevé de contraintes, à la fois dans la fine zone de cisaillement primaire et dans la zone de cisaillement secondaire le long de l'interface pièce-outil pendant que le matériau fraîchement coupé glisse vers le haut sur la face de l'outil.

Avec quelques matériaux, la température pendant l’usinage grande vitesse peut s’approcher de la température de fusion. Bien que la modélisation et la simulation aient accompli un progrès marqué grâce aux logiciels sur les éléments finis qui ont été développés pour les utilisateurs, le développement de l’appareil dit Split Hopkinson Bar du NIST est d’une aide considérable pour améliorer les propriétés des matériaux, tout en augmentant la précision et la fiabilité de la modélisation et de la simulation des processus d’usinage.

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