Transport

Contact : Jean-Fabien CAPSAL (jean-fabien.capsal@insa-lyon.fr)

L’enjeu transport donne lieu à des développements pluridisciplinaires touchant à des matériaux et des domaines applicatifs très variés.

En ce qui concerne les matériaux et les couplages on notera deux domaines applicatifs importants distincts :

• Les couplages magnétiques mis en œuvre au sein de dispositifs de Contrôle-Non-Destructif Magnétique
• Les couplages électro actifs, principalement Electromécaniques (piézoélectricité / Electrostriction) mis en œuvre dans des dispositifs de contrôle de forme, optique adaptative, contrôle de vibration, détection de chocs, contrôle de santé, systèmes haptiques

CND magnétique.

Le Contrôle Non Destructif (CND) électromagnétique basé en partie sur les mécanismes d’aimantation, développé par le LGEF, joue un rôle crucial dans le domaine des transports et de l’énergie en garantissant la fiabilité et la sécurité des structures et composants critiques. Les projets industriels en cours illustrent l'efficacité de ces techniques pour détecter les défauts et les contraintes résiduelles dans les matériaux ferromagnétiques utilisés dans les infrastructures de transport et de production d’énergie.

Le LGEF a ainsi développé à la fois une instrumentation dédiée et des modèles d’analyse permettant de détecter des défauts ou des propriétés mécaniques à partir de mesures magnétiques. Un des objectifs principaux est de rendre ces méthodes de contrôles moins dépendantes des conditions de mesure. Parmi les propriétés ou défauts visés on notera :

• La dureté au voisinage de la surface d’une pièce mécanique
• Les brûlures de rectification,
• La dureté de surface et l’effet des traitements de surface
• La corrosion
• Les contraintes résiduelles
• La présence de fissure au cœur ou en surface d’une pièce

Parmi les techniques mises en œuvre, on trouvera :

• La mesure de la perméabilité magnétique : en grands signaux sur des cycles d’hystérésis entiers ou de la perméabilité incrémentale par la mesure de cycles mineurs
• La mesure et la caractérisation de bruit Barkhausen
• L’utilisation de courants de Foucault
• La spectroscopie d’inductance
• L’aimantation par champ tournant
• Ou encore l’utilisation combinée de ces différentes techniques.

Le LGEF collabore actuellement avec plusieurs grands industriels français pour appliquer ces technologies innovantes. On peut noter un projet visant à optimiser les courants de Foucault pour la détection de défauts dans des fils tréfilés avec la société MICHELIN. Avec SAFRAN nos travaux se concentrent sur la détection des profils de cémentation dans des pièces d’engrenage utilisées dans les turbines de réacteurs. Airbus finance un projet pour développer des inducteurs magnétiques dans le cadre de contrôles par thermographie infrarouge. Le CETIM soutient plusieurs projets, dont la détection des brûlures de rectification, la caractérisation des contraintes internes dans les aciers électriques ou encore l’observation de traces martensitiques dans les cuves de stockage austénitique de l’hydrogène. Avec CMPHY, un projet de développement de capteur imprimé sur pièces métallique a été mené afin de faire du suivi de santé par courants de Foucault.

Sur le plan académique, le projet i-demo OCEA vise à développer un outil intégré de caractérisation électromagnétique pour les aciers à haute valeur ajoutée. Des collaborations internationales avec l’université de Tohoku (IFS, ELyTMaX, Sendai, Japon), renforcent l'expertise du laboratoire et ouvrent l’accès à des expertises de rang mondial et à des équipements originaux.

Le LGEF participe également à des collaborations innovantes avec Kwan-Tek, une entreprise développant des capteurs magnétiques à centre azote-lacune (NV-center), et avec le CEA SPEC pour les capteurs à magnéto-résistance géante GMR.

 

Contrôle de santé et instrumentation de roulements à billes.

Le suivi de l’état de santé des roulements à bille est un élément critique pour la sécurité d’un équipement de transport. Disposer de fonctions mécatroniques intégrées au roulement est un élément important permettant d’optimiser la maintenance et le maintien en conditions opérationnelles. Le LGEF a ainsi développé la potentialité de capteurs de contraintes par l’utilisation de couches en composite piézoélectrique directement déposées sur le côté de la bande roulement et directement connectées à une électronique d’interfaçage disposée sur le flanc du roulement.

https://doi.org/10.3390/polym15040826

Par rapport à d’autres solutions cette technique permet une très bonne intégration ainsi qu’un cout et une fiabilité intéressante du capteur. Ces couches peuvent être déposées par différentes techniques telle que la sérigraphie directement sur la surface latérale de la bague extérieure du roulement.

Afin d’étudier les conditions de faisabilité d’une telle solution et les règles d’intégration de ces capteurs au roulement, une structure 2D représentative a été développée afin de multiplier les essais de mise en œuvre.

https://doi.org/10.3390/polym15040826

Une fois intégré au roulement, ce dispositif permet de monitorer le fonctionnement du roulement comme par exemple les contraintes au passage des billes perpendiculairement à l’élément sensible. La très bonne sensibilité du capteur associé à sa très forte intégration lui permet à la fois une bonne sensibilité ainsi qu’une bonne immunité aux conditions ambiantes. Ce travail a été mené en collaboration avec la société SKF et notre partenaire Arc-En-Ciel Sérigraphie.

https://doi.org/10.3390/polym15040826

 

Systèmes haptiques.

Les polymères électro actifs ou composites piézoélectriques de par la simplicité de leur mise en œuvre par impression ou par sérigraphie sur des pièces de structure sont des composants intéressants pour assurer des fonctions haptiques liée par la mise en vibration de la face avant constituant une interface de contrôle munie de différents boutons.

https://doi.org/10.3390/mi14081553

Une étude menée dans le cadre de la chaire VOLVO a permis la réalisation d’un démonstrateur de bouton constitué de deux couches de matériaux électro actifs constitué de composite piézoélectrique entre des électrodes. La première couche est sensible à la pression là où la deuxième alimentée par une tension alternative permet de donner le retour haptique. Il a été montré qu’un champ de l’ordre de 20V/µm est suffisant pour produire une vibration parfaitement sensible par l’utilisateur pour une fréquence optimale centrée sur 200 Hz.

https://doi.org/10.3390/mi14081553

D’autres études ont été menées sur la différence de sensation au toucher d’une surface de polymère électro-actif vibrante par rapport à cette même surface passive. La différence, conditionnée par la fréquence de la vibration est liée à la présence d’un film interstitiel d’air entre la surface et la peau lié à la vibration de la surface.

 

Contrôle de forme / Optique adaptative.

En collaboration avec le CRAL (Centre de Recherche d’Astrophysique de Lyon) et plus récemment avec le LAM (Laboratoire d’Astrophysique de Marseille), le Laboratoire s’intéresse à la potentialité de réaliser des miroirs minces à courbure variable permettant de l’optique adaptative. C’était un sujet sur lequel le LGEF a déjà collaboré avec la société REOSC il y a de nombreuses années en fournissant des céramiques piézoélectriques épaisses de 80mm de diamètre, frittées sous charge uni axiale et avec une microstructure permettant de réaliser un poli optique.

Dans la configuration actuellement étudiée, un miroir mince en silicium ou en verre flotté repose sur une matrice d’actionneurs imprimés en polymère électro actifs avec la connectique directement imprimée sur une surface de réaction qui supporte l’ensemble.

La voie choisie est de développer des actionneurs multicouches en Terpolymère (PVDF-CFe- TrFe synthétisé par Arkéma et optimisé par l’ajout de plastifiant permettant d’en augmenter ses propriétés électrostrictives en augmentant la figure de mérite choisie (Rapport de la permittivité diélectrique sur le module d’Young : e_r /Y). La technologie multicouche permet quant à elle de diminuer la tension d’activation afin de simplifier l’électronique de pilotage. La difficulté consiste à définir les différentes encres (EAP, électrodes et pistes) afin qu’elles soient parfaitement compatibles en termes de propriétés physiques (raideurs, conductivité, etc..) et de propriétés rhéologiques afin d’assurer la meilleure précision de la mise en œuvre par des technique d’impression ou de sérigraphie.

De nombreux prototypes de faible dimension ont déjà été réalisés, dont les performances optiques ont été caractérisées par nos partenaire démontrant la preuve de concept en obtenant des déformations de l’ordre de 2µm en quasi statique. Les travaux menés visent à fiabiliser le processus en améliorant les performances et la pureté des encres mises en œuvre, à descendre en taille de motif et à étendre la gamme de fréquence d’utilisation.

 

Détection de chocs.

La détection des chocs subis par une pièce est un élément important du maintien en condition opérationnelle d’une structure en améliorant sa maintenance préventive, par exemple dans le cas de structures composites où des défauts de délamination ont difficiles à détecter visuellement. Les techniques usuelles nécessitent généralement un traitement lourd. La technique développée il y a quelques années au LGEF et qui consiste à mesurer le flux du vecteur de Poynting de l’onde consécutive au choc se propageant dans la structure est très simple et met en œuvre un traitement des mesures élémentaire qui ne nécessite que très peu d’énergie. Il utilise toutefois deux capteurs concentriques (formant une figure fermée : polygonale ou circulaire) et délivrant une tension qui dépend de la déformation de la structure sur laquelle il est déployé. S’il n’est pas concevable de réaliser de couvrir une structure avec des patches de céramique piézoélectrique, la mise en œuvre d’un large réseau de capteurs en PVDF-CrFe ou en composite BatiO₃/Polymère pouvant être déposés par sérigraphie ou par impression permet d’envisager raisonnablement le monitoring de structures étendues.

Lors de l’impact, la structure se déforme et une onde complexe de flexion se propage, sollicitant la structure et générant une tension au droit des capteurs sollicités par la déformation. Les signaux bruts montrent une impulsion et il est impossible de savoir facilement si le choc a eu lieu à l’intérieur ou à l’extérieur du périmètre. Lorsqu’on applique un calcul élémentaire qui revient à déterminer le flux du vecteur de Poynting sur le parcours fermé constitué par le capteur, on obtient des signaux radicalement différents qui mesurent le flux traversant la frontière délimitée par le capteur. Celui-ci est nul si le choc a lieu à l’extérieur du parcours et maximal dans le cas inverse et la valeur obtenue donne alors une mesure de l’intensité du choc permettant à la fois la localisation et la quantification de l’impact, et ce même dans le cas d’impact multiples. La contrainte est de devoir recouvrir globalement la structure, ce qui est accessible par des technique d’’impression associé à l’utilisation d’EAP.