SonicByte^TM - "Pourquoi continuer de perdre jusqu'à 1000$ la minute pour des problèmes de défaillance prématurée des matériaux dans votre procédé alors que leurs défauts originaux peuvent maintenant être détectés en moins de 15 secondes?"

La technologie SonicByte^TM, co-développée par le Dr Claude Allaire, permet d’effectuer des campagnes de CND (Contrôle Non Destructif) tant sur les matériaux homogènes (ex.: métaux et céramiques) que hétérogènes (ex.: réfractaires et produits carbonés), à température ambiante et à haute température.

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• Historique et principe de fonctionnement
  

  Le Dr Claude Allaire, co-inventeur, et son équipe de scientifiques travaillent depuis 2003 au développement d’un nouvel appareil de contrôle non destructif des matériaux hétérogènes. Le développement de ce nouvel appareil, désigné SonicByte^TM, visait à contrer les faiblesses associées aux appareils disponibles sur le marché au moyen de la technique de résonance acoustique.

  Le principe de cette technique consiste à faire vibrer un matériau au moyen d’impacts mécaniques de faibles intensités, et à mesurer ses fréquences de vibration pour en extraire ses constantes élastiques, tel que le module d’élasticité (module d’Young).

  Or, les appareils alors disponibles sur le marché n’étaient applicables qu’au cas des matériaux homogènes tels que les métaux et les céramiques fines de géométrie simple.

  Le premier prototype, développé en 2003, permettait non seulement de caractériser ces mêmes matériaux, mais aussi des matériaux hétérogènes tels que les réfractaires, les bétons de construction et les matériaux carbonés. Cependant, ce premier appareil n’était applicable qu’à l’échelle laboratoire pour la caractérisation de petits échantillons de géométrie simple, tels que des bars, des cylindres et des disques. En 2004, une nouvelle version de l’appareil fut développée pour le contrôle de qualité des matériaux hétérogènes industriels. Cette nouvelle version permettait la détermination des constantes élastiques de tels matériaux, indépendamment de leur forme et de leur taille mais était limitée à des géométries simples. En 2005, une nouvelle technique était intégrée à l’appareil, le rendant en plus capable de caractériser les défauts contenus dans de tels matériaux. En 2006, des travaux de R&D additionnels étaient entrepris dans le but de rendre l’appareil apte à pouvoir caractériser les défauts contenus dans des matériaux de géométrie complexe, tels que les produits coulés de fonte et d’acier, maximisant ainsi l’étendu des applications possibles de notre technologie.

• Propriétés élastiques des matériaux hétérogènes
  

  La connaissance des propriétés élastiques des matériaux est de première importance. Ces propriétés reflètent non seulement l’importance des liaisons au sein du matériau mais permettent aussi de caractériser son niveau d’endommagement. Ces propriétés deviennent ainsi un outil essentiel pour les manufacturiers de matériaux afin de contrôler la qualité de leurs produits, contribuant ainsi à réduire leurs coûts de fabrication et le nombre de réclamations, tout en leur permettant de mieux se positionner face à la compétition.

  Les méthodes de caractérisation non destructive dérivant de l’acoustique sont fréquemment utilisées afin de caractériser les matériaux homogènes tels que les métaux ou les céramiques fines de géométrie simple. L’application de telles méthodes à l’analyse des matériaux hétérogènes et/ou de géométrie complexe présente plusieurs difficultés. En effet, la nature de ces matériaux favorise les phénomènes d’atténuation acoustique et mène à l’apparition de fréquences de résonance multiples qui nuisent considérablement à l’interprétation du signal, le rendant souvent impossible au moyen d'appareils traditionnels.

  Dans le cas des métaux, d’autres techniques de caractérisation non destructives sont disponibles telles que le rayonnement infrarouge, les courants de Foucault, les ultrasons et les liquides pénétrants. Ces techniques sont toutefois peu efficaces pour le contrôle de qualité de pièces de grande taille et/ou de géométrie complexe compte tenu de leur temps d’exécution trop élevé.

  Le SonicByte^TM utilise une technologie innovatrice lui permettant de contrer ces difficultés et par conséquent le rend apte au contrôle de qualité des matériaux, indépendamment de leur nature, de leur taille et de  leur géométrie.

• Principe des méthodes acoustiques utilisées par le SonicByte^TM
  
   

  Résonance acoustique 

  Les méthodes de caractérisation acoustiques sont basées sur l’étude des ondes mécaniques de déformation, ou vibrations, qui se propagent dans la matière. Dans les solides, le son peut se propager via des ondes longitudinales ou transversales. Lorsqu’un matériau élastique subit un faible impact, il entre en résonance selon une fréquence fondamentale qui dépend de ses propriétés élastiques, i.e., le module d’Young (ou d’élasticité), le module de Coulomb (ou de cisaillement) et le coefficient de Poisson. Afin de déterminer ces constantes, on utilise généralement une approche analytique pour le cas des pièces à géométrie simple. À l’aide des équations issues d’une telle approche, il est possible de déterminer chacune des constantes élastiques en mesurant un minimum de trois fréquences de résonance, soient celles associées aux modes longitudinal, de flexion et de torsion de la pièce analysée. Pour le cas des pièces à géométrie complexe, ces constantes élastiques s'obtiennent par analyse numérique. En ayant recours à des pièces de référence, il devient possible, à partir de ces constantes, de détecter la présence des défauts contenus dans la pièce analysée.

  Acoustique non linéaire 

  Contrairement aux matériaux homogènes, les matériaux hétérogènes présentent un comportement acoustique non linéaire. Leur fréquence de résonance après impact n'est en effet pas obtenue instantannément mais plutôt après un court délais pendant lequel leur fréquence augmente progressivement. Ce phénomène est attribuable au fait qu'au moment de l'impact, l'énergie élastique disponible dans le matériau est généralement suffisante pour entraîner la vibration de tous ses défauts, indépendamment de leur taille. Au cours du temps, des phénomènes d'atténuation réduisent progressivement l'énergie disponible pour causer la vibration des plus petits défauts. La mesure de la fréquence instantannée au moment de l'impact et celle de la fréquence constante s'établissant par la suite permettent donc de caractériser la distribution de la taille des défauts contenus dans le matériau. 

  Atténuation et dispersion acoustique 

  Les ondes acoustiques sont davantage atténuées dans un matériau lorsque ce dernier contient des inhomogénéités telles que des microfissures. Ces dernières ont aussi pour effet de générer, après impact, un intervalle de fréquences autour de la fréquence de résonance. La quantification de la dispersion de cette dernière ainsi que de son atténuation permettent de comparer le niveau d'endommagement de la pièce analysée par rapport à celui d'une pièce de référence.

  Signature acoustique 

  Les matériaux à géométrie complexe tendent à générer une multitude de fréquences après impact. Dans un tel cas, la méthode acoustique la plus adéquate pour permettre la caractérisation de leurs défauts est généralement la signature acoustique. Cette méthode consiste à recueillir la distribution spectrale en amplitude de la pièce analysée puis de la comparer à celle d'une pièce de référence. Il s'agit ensuite d'associer les différences observées entre les deux distributions aux différents types de défauts contenus dans la pièce analysée.

• Caractérisation de la taille des défauts critiques, de la porosité et de la résistance mécanique au moyen du SonicByte^TM
  

  Le SonicByte^TM est doté d'un algorithme permettant de déterminer la longueur moyenne des défauts critiques dans la pièce analysée. Par définition, les défauts critiques sont ceux qui limitent la résistance mécanique structurale de la pièce. Considérons la figure suivante:

   

  La pièce cylindrique "réelle" shématisée sur cette figure contient une discontinuité géométrique, des défauts non uniformément distribués (tels que des fissures) ainsi que des défauts uniformément distribués (tels que des pores). La résistance mécanique structurale de cette pièce est égale à celle de la pièce "équivalente" (montrée à droite) dans laquelle tous les défauts non uniformément distribués de la pièce réelle sont remplacés par une fissure critique centrale et périphérique de longueur moyenne "a_c". Le diamètre de la pièce équivalente est réduit par rapport à celui de la pièce réelle afin de rendre égales les surfaces moyennes de leur section.  Le module d'élasticité de la pièce équivalente est égal au module d'élasticité théorique "E₀", soit le module d'élasticité de la pièce réelle si celle-ci ne contenait que des défauts uniformément distribués. Les valeurs de "a_c" et "E₀" sont déterminées mathématiquement à partir des valeurs mesurées de E_L et E_F, soient les modules d'élasticité de la pièce réelle en mode longitudinal et en mode de flexion, respectivement. Notons qu'en l'absence de défauts non uniformément distribués dans la pièce réelle; E_L = E_F = E₀.

  À partir des valeurs de "a_c" et "E₀", l'algorithme du SonicByte^TM permet d'estimer la porosité de la pièce analysée ainsi que sa résistance mécanique, i.e., la résistance à la traction pour les métaux et le module de rupture et la résistance à l'écrasement pour les céramiques et les réfractaires. Ces estimations requièrent toutefois que ces mêmes propriétés ainsi que les valeurs de "a_c" et "E₀" soient connues pour une pièce de référence (Voir: Exemple pour le cas des réfractaires).

  Une procédure similaire est applicable pour des pièces à section prismatique. Dans un tel cas, les valeurs de "a_c" et "E₀" sont obtenues à partir des valeurs mesurées de E_F1 et E_F2, soient les modules d'élasticité de la pièce réelle en mode de flexion selon deux orientations orthogonales et perpendiculaires à son axe longitudinal. Notons que pour ce type de géométrie, la réduction de la section de la pièce équivalente par rapport à celle de la pièce réelle vise à rendre égaux leurs moments d'inertie en flexion. 

• Pour plus d'information
  
  
  

  • SonicByte^TM EP-1000 (Manuel d'utilisateur (en anglais) -2009)
  • SonicByte^TM JR-1000 (Manuel d'utilisateur (en anglais) -2006)
  • SonicByte^TM – Publication (en anglais) - Industrial Heating Magazine
  • SonicByte^TM – Publication (en anglais) - Light Metals (TMS) 

  → Voir: Exemples de travaux réalisés en usine et en laboratoire avec le SonicByteTM.