Compte-rendu du colloque 2010

III RÉSULTATS ORIGINAUX ET AXES DE RECHERCHES DÉBATTUS

 

Analyse des conférences 

Les différentes sessions CMOI ont fait l’objet d’un rapport rédigé par les présidents de session qui mettent en avant les nouveautés apportées par les différentes contributions.

Session 1 Contrôle Non Destructif

Présidents M. HONLET – Carl Zeiss Optronics, Oberkochen (D) Y. SURREL – VISUOL Technologies, Metz (F)

 

1- Caractérisation et comparaison des limites de détection de techniques de contrôle non destructif : méthodes ultrasonores et méthodes optiques

ENIT-LGP Tarbes, IUT-ICA Tarbes, DAHER SOCATA Tarbes

Présentée par Elodie Peronnet

Une préoccupation constante dans le domaine du contrôle non destructif est de comparer et de valider mutuellement différentes méthodes, afin de pouvoir effectuer les contrôles au coût le plus juste, sans réduire l'efficacité de détection de ceux-ci. Sur l'exemple de l'infusion de résine liquide (LRI) sur des éprouvettes monolithiques et éprouvettes sandwich avec défauts artificiels (Teflon), un début de comparatif entre ultra-sons (US) par immersion, US dans l'air, US par jet d'eau, thermographie IR par réflexion et par transmission a été présenté.Sans grande surprise, une grande dépendance à la typologie des défauts a été relevée. Ce genre de travail est très important pour la communauté du CND où existe une grande variété de techniques.

 

2- Effets de l'exposition du PMMA aux UV pour les applications optiques

CRISMAT – CNRT-Matériaux / ENSICAEN, Caen et Institut für Mikrostrukturtechnik,Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Karlsruhe (Allemagne)

Présentée par Sophie Eve Dans le cadre de la diminution du coût des systèmes optiques, le PMMA est de plus en plus utilisé (guides d'onde optiques, capteurs à réseau de Bragg). Un enjeu essentiel est évidemment la durabilité du matériau et la stabilité de ses propriétés opto-mécaniques sous l'effet des agents dégradant extérieurs classiques: température, humidité, exposition aux UV. L'étude montre en particulier une réduction importante des propriétés mécaniques, qui semble plus lié au viellissement physique que chimique. Les différentes "nuances" des PMMA disponibles commercialement sont également déterminantes pour la durabilité, car le degré de réticulation du polymère influence fortement les propriétés mécaniques.

 

3- Spécificités techniques propres à l'application de la Shearographie sur des structures épaisses assemblées

AIRBUS - St Martin, Toulouse

Présentée par Marie-Anne De Smet

Les matériaux composites continuent à se tailler une place de choix dans l'aéronautique, impulsé par les programmes récents des deux prinicpaux avionneurs mondiaux, Boeing avec son B787 et Airbus avec son A350. La problématique principale devient le contrôle de pièces composite épaisses (plusieurs dizaines de millimètres). L'exposé présente l'état de l'art actuel chez Airbus pour la qualification de systèmes pour détecter des défauts sur structures en nid d'abeille jusqu'à une profondeur de 50 mm: détection de fissuration d'adhésif et/ou de décollement, détection de décollements sous des peaux métalliques, et détection de défaut dans les réparations, joints nodaux, etc. Les points-clé sont l'optimisation du système optique en fonction du type de défaut mais aussi - et surtout - du mode de sollicitation : thermique, dépression ou vibratoire. Afin de garantir une répétabilité, des pièces de calibration existent. L'exposé a bien mis en exergue le chemin à parcourir entre la simple disponibilité d'une technique et son application réelle dans une entreprise comme Airbus où la sécurité et donc le contrôle (traçable!) de la fabrication est un enjeu majeur. La conséquence est que la démarche de validation d'une technique et des opérateurs appelés à l'utiliser est un processus qui s'étale sur plusieurs années.

 

4- Mesure des phénomènes dynamiques transitoires par interférométrie de speckle temporelle à 15 kHzLaboratoire de Mécanique, INSA Rouen, Saint-Etienne du Rouvray

Présentée par: Ioana Nistea

La communication présente l'utilisation d'une caméra rapide dans le domaine de la mesure vibratoire par interférométrie de speckle temporelle avec un laser de 300 mW, en excitation sinusoidale. La caméra permet d'acquérir dix à quinze mille images par seconde dans une zone de 60 x 160 pixels.L'exposé illustre bien une des tendances actuelles dans le domaine des méthodes optiques, à savoir l'utilisation de caméras rapides (dont le coût ne cesse de diminuer) pour l'étude des phénomènes vibratoires ou transitoires; peut-être est-ce d'ailleurs dans ce dernier domaine que leur utilité potentielle est la plus marquée.

 

Session 2

Microscopie et Nanoscopie

Présidents P.C. MONTGOMERY – InESS/CNRS, Strasbourg (F) S. DE ROSSI - Institut d’Optique, Palaiseau (F)

Cette session a fait l’objet de trois conférences.

 

1- Le premier papier portait sur les dernières avancées du développement d'une nouvelle technique de microscopie 3D de surfaces microscopiques en temps réel, appelée la "microscopie 4D", développée au Laboratoire InESS (Strasbourg).

La technique emploie un balayage en continu de franges d'interférences en lumière blanche et une acquisition et un traitement d'image par une caméra rapide et une carte basée sur un FPGA ("Field Programmable Gate Array"). Les applications visées sont la mesure des surfaces en 3D rapide, des transitoires dans les MEMS, des modifications des surfaces dues aux réactions chimiques et l'analyses des matières molles. Des applications ont été démontrées sur la mesure 3D des surfaces en translation latérale, comme une puce et une surface de GaN après une attaque chimique, et la transformation d'une goutte de TippEx avec le séchage. Des cadences de mesures 3D de 3 i/s à 25 i/s ont été démontrées, dépendant de la taille d'images (de 640x1024 pixels à 160x128 pixels) pour des profondeurs de 2 µm à 20 µm. La spécificité de ce système et l'habilité d'effectuer des mesures en-ligne et enregistrables.

 

2- Le papier suivant a traité le développement d’une porte-échantillon multi-échelle pour un positionnement nanométrique en microscopie en champ proche et en lithographie.

Le travail fait partie du projet PONAME de l’ANR-PNANO qui vise à répondre au besoin de nanostructurer et nanocaractériser à grande échelle latérale.Les résultats sont le fruit d’une collaboration entre le Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes de Versailles (LISV), le Laboratoire d’Instrumentation Optique et de Nanotechnologies (LNIO-ICD) de Troyes et ISP Système de Vic en Bigorre. Des résultats impressionnants ont été montrés de mesures de topographie par AFM d’une guide d’onde avec un champ de 30 µm de large et de 1,1 mm de long. Le premier prototype de déplacement permet d’atteindre une repétabilité de positionnement latéral de 10 nm sur une longueur de 1 mm. Un deuxième système intégré va permettre un balayage de 10 mm et de s’adapter aux différents systèmes commerciaux comme les microscopies de champ proche (AFM, SNOM) ou la lithographie.

 

3- Le troisième et dernier papier de la session décrivait un microscope à effet de Kerr développé au CEA le Ripault de Monts.

Pour pouvoir caractériser des films magnétiques, un système basé sur la variation de polarisation d’un faisceau laser réfléchie d’une couche soumis à un champ magnétique permet de détecter des variations d’aimantation. L’effet exploité est le « Magneto-Optic Kerr Effect (MOKE). Le microscope permet d’obtenir le cycle d’hystérésis sur des empilements de couches minces qui peuvent être employées par exemple dans l’enregistrement magnétique, les marqueurs pour la détection sans contact ou les inducteurs à haute fréquence. Les premiers résultats de ce microscope ont été montrés pour la première fois au colloque CMOI sur des échantillons réels, ce qui a permis de retrouver la loi de Malus. Cette session 2 sur la microscopie et la nanoscopie a surtout mis en évidence les avancées intéressantes en techniques de caractérisation micro/nano qui ouvrent de nouveaux champs de mesure comme pour la caractérisation des matières molles et des couches magnétiques aussi bien que la possibilité d’effectuer des mesures nanométriques sur des champs étendus sur quelques mm.

 

Session 3

Lasers et Matériaux pour l’optique

Présidents C. CARRE – Laboratoire FOTON, Lannion (F) A. FORT –IPCMS, Strasbourg (F)

Après une conférence plénière illustrant les multiples applications des lasers, 50 ans après l’année où a fonctionné le premier laser à rubis en mode impulsionnel, la session "Lasers et Matériaux" a montré que cet outil est aujourd’hui simultanément :

- un outil d’investigation des mécanismes réactionnels mis en œuvre par absorption de photons ;

- un outil permettant de micro et nano-structurer les matériaux polymères afin d’élaborer différents dispositifs optiques ;

- un outil utile pour évaluer les performances des microstructures créées par différentes techniques.

Reposant sur l’étude de l’interaction lumière-matière et la mise en œuvre de matériaux fonctionnels pour l’optique, cette session fut l’objet de cinq communications.

 

1- Les lasers pour l'étude et le contrôle des réactions chimiques: spectroscopies résolues en temps et photochimie

Cette contribution fut centrée sur la spectroscopie d’absorption transitoire. Cette technique consiste à exciter un échantillon à l’aide d’une impulsion courte, puis à suivre l’évolution des états transitoires (ou excités) créés par analyse de leur spectre de transmission. Ici, l’amélioration incessante des performances des sources lasers a permis de passer d’une résolution temporelle de l’ordre de la nanoseconde à la picoseconde, puis à la femtoseconde, voire l’attoseconde. En plus de la réduction temporelle des impulsions, les progrès en optique linéaire ont permis de rendre accordable en fréquence les lasers et d’obtenir un accord en fréquence continu des impulsions lasers de l’UV jusqu’à l’infrarouge. Après présentation des montages expérimentaux mis en œuvre dans le laboratoire concerné, différents exemples d’étude des mécanismes d’interaction des molécules en solution ont été présentés, en particulier pour l’étude d’un système d’amorçage à 3 composants.

 

2- Processus optiques du second ordre : exemples d’applications pour l’élaboration de dispositifs optiques organiques fonctionnalisés

Après quelques rappels d’optique non-linéaire, l’attention s’est portée sur l’absorption à deux photons (ADP) et la génération de second harmonique (GSH). L’ADP induite par focalisation d’un faisceau laser femtoseconde fut ici mise à profit pour fabriquer par photopolymérisation des micro-objets avec une résolution pouvant être inférieure à 100 nm, permettant donc d’accéder à un grand confinement spatial. Les exemples présentés reposaient sur la réalisation de structures guidantes tridimensionnelles (connections entre fibres optiques monomodes, modulateurs électro-optiques organiques) et la création d’objets micro-déformables par construction de réseaux dans des élastomères nématiques thermo-actifs. La GSH, c’est à dire l’émission de photons à la fréquence double de celle des photons incidents sur le matériau, fut illustrée par la présentation de mémoires optiques de nouvelle génération où les bits d’information 1 ou 0 étaient contrôlés par la maîtrise de l’orientation de chromophores dans des micro-volumes via l’utilisation de l’ADP.

 

3- Photostructuration de matériaux polymères aux échelles sub-longueur d’onde

L’objectif ici était de nanostructurer des matériaux polymères à des échelles inférieures à la longueur d’onde d’excitation, donc de contourner les limites imposées par la diffraction de la lumière. La première technique consistait à mettre en œuvre des nanoparticules métalliques en tant que nano-sources de lumières pour induire une polymérisation locale, anisotrope et sélective. Dans le second cas, l ‘extrémité d’une fibre optique jouait le rôle de micro-source de lumière. L’optimisation du procédé reposait sur l’étude du volume polymérisé en fonction des paramètres photoniques. En particulier, un inhibiteur de polymérisation fut judicieusement mis à profit d’améliorer le confinement spatial de la réaction. Le même effet de confinement obtenu par utilisation d’un inhibiteur fut illustré par l’enregistrement d’un réseau de pas égal à 140 nm, par interférence de deux ondes évanescentes à 442 nm.

 

4- Microstructuration à grand rapport d’aspect par écriture directe par laser

Après avoir présenté les activités de l’entreprise Kloé qui existe maintenant depuis une dizaine d’années, les auteurs se sont focalisés sur leur offre actuelle de photolithographie directe par laser, technique correspondant à une alternative très performante à la lithographie conventionnelle par masquage. Il s’agit ici d’un procédé d’écriture vectorielle fonctionnant en continu où c’est l’échantillon qui se déplace lors l’irradiation. Ce procédé de haute résolution est désormais associé à une grande profondeur de champ et peut fonctionner sur des surfaces allant jusqu’à 1m2. Cela permet de réaliser des microstructures homogènes sur des profondeurs pouvant être de l’ordre de 10µm ou submicroniques grâce à la tête haute-résolution. Différents exemples ont été présentés (guide d’onde optique, micro-cuvette de 1µm de large pour 15 µm de haut, canal micro-fluidique, micromiroir et microlentille sphérique), la granulosité des éléments étant de l’ordre de 10 nm.

 

5- Polymères microstructurables pour la fabrication d’éléments optiques diffractifs

Le dernier exposé était lié à la fabrication d’éléments optiques diffractifs dans un matériau sol-gel hybride photopolymérisable par moulage. Le masque initial est créé dans une photorésine positive classique par écriture directe grâce à un phototraceur fonctionnant par l’intermédiaire d’un micro-écran à cristaux liquides, qui est donc reconfigurable. Le procédé de transfert du relief a pu être validé au travers de l’analyse et de la comparaison des différentes microstructures (spectres UV-visible, analyse des reliefs par microscopie interférométrique, des propriétés de diffraction des éléments). L’intérêt du second matériau est lié à ses meilleures propriétés optiques, mécaniques, thermiques et chimiques, ce qui permet d’accéder à une gamme de micro-optiques diffractives répondant à de nouveaux besoins industriels, en particulier en vue d’utilisation avec des faisceaux laser.

 

Session 4

Thermographie IR

Présidents Ph. HERVÉ - Université Paris Ouest Nanterre, La Défense (F) M. KARAMA – LPG/ENIT, Tarbes (F)

 

1- Aide à la restauration d’une peinture murale par thermographie infrarouge stimulée: application à la caractérisation dimensionnelle de défaut

 L’exposé porte sur la présentation d’une méthode sans contact et sans risques de détérioration pour caractériser des décollements et des poches d’air dans des peintures murales. Le système de thermographie infrarouge stimulée utilisé permet de faire des analyses in situ des oeuvres d’art. L’étude est focalisée sur la détermination de la profondeur des défauts.La procédure utilisée consiste d’abord à faire la détermination de la diffusivité thermique longitudinale du matériau. La fresque est ensuite soumise à une excitation thermique proche temporellement d’un Dirac. La réponse est observée en face avant par thermographie infrarouge. La diffusivité thermique d’un mélange plâtre/chaux,réplique d’un tableau du moyen-âge, est ainsi déterminée. Un modèle thermique permettant d’évaluer la profondeur du défaut est ensuite présenté. Les expériences réalisées par ces méthodes montrent une très bonne détermination de la profondeur puisque la précision obtenue est de l’ordre de 3%.

 

2- Comparaison entre la thermographie et la thermosonique pour la détection d’un délaminage dans un composite aéronautique

Le travail présenté porte sur le contrôle de pièces en composite sur le lieu de production. Deux méthodes sont comparées, l’excitation du milieu étant effectuée soit par ultrasons soit par rayonnement thermique. Dans les deux méthodes, la réponse à l’excitation est observée par thermographie infrarouge.Pour la méthode thermosonique, une sonotrode d’une puissance maximum de 25 W est utilisée. Cette puissance doit être réduite afin de ne pas détériorer la pièce examinée. Dans la méthode purement thermique, l’excitation est effectuée par un laser CO2 de puissance 25 W. Le choix de ce type de laser permet d’éviter l’éblouissement de la caméra qui n’est pas sensible au rayonnement du laser.Les délaminages sont bien caractérisés par les deux méthodes». Par contre la méthode purement thermique présente dans le cas d’une chaîne de production l’avantage essentiel d’être sans contact. Le risque d’endommagement de la pièce examinée est aussi plus faible. Enfin une nette amélioration de ces méthodes peut être obtenue par l’utilisation de la caméra en détection synchrone en prenant comme référence l’excitation.

 

3- Analyse du comportement en fatigue des matériaux composites par thermographie infrarouge

L’étude porte sur un matériau stratifié utilisé par Turboméca dans la confection des tulipes d’entrée d’air des turbomoteurs. Le suivi de l’endommagement des éprouvettes de ce matériau en fonction du nombre de cycles a été effectué à l’aide d’une caméra infrarouge. La quantification de la durée de vie est évaluée à partir de la variation de la température de surface pendant l’essai de fatigue. Une approche des mécanismes d’endommagement par fatigue est proposée à partir du traitement des images de dissipation thermique.La conclusion de cette étude est que la thermographie permet une détermination rapide de la limite d’endurance d’un matériau en n’utilisant qu’un nombre restreint d’éprouvettes.

 

4- Propriétés thermooptiques des solides et liquides aux hautes températures

L’exposé présente les méthodes de mesure et les résultats obtenus sur l’émission de rayonnement dans les domaines du visible et de l’infrarouge aux hautes températures. La mesure de la température des surfaces est obtenue par pyrométrie dans l’ultraviolet en faisant le comptage des photons émis. La connaissance de la température permet alors de déterminer les spectres d’émissivité et ceci à plusieurs angles par rapport à la normale à la surface et avec les deux composantes polarisées. En inversant les relations de Fresnel, on obtient les spectres d’indice complexe dont on déduit des paramètres plus fondamentaux: la fréquence plasma et la fréquence de relaxation.A partir de ces valeurs mesurées sur des métaux réfractaires, la conductivité thermique et la conductivité électrique sont calculées. Pour cette dernière propriété, il y a un très bon accord , par exemple pour le molybdéne à 2000 K, entre la mesure optique et les mesures obtenues classiquement à partir de la résistance électrique. Ceci confirme la validité de ces déterminations de propriétés thermooptiques.

 

Session 5

Capteurs à Fibres Optiques

Présidents P. FERDINAND – CEA LIST, Gif-sur-Yvette (F) C. BOISROBERT – IREENA, Université de Nantes (F)

 

1- Mesures réparties par effet Raman dans les fibres optiques pour l’acquisition de profils de température le long d’échangeurs géothermiques de pompes à chaleur. Ou comment l’optique Infra Rouge fibrée se met au Vert

Auteurs : P. Ferdinand & M. Giuseffi,H. Lesueur, M. Philippe, C. Maragna et A. Vrain

Pierre Ferdinand, Directeur de Recherche au CEA LIST, a présenté les travaux réalisés en collaboration avec le BRGM. Ces deux Instituts de Recherche se sont en effet associés dans un projet visant à améliorer la connaissance des échangeurs géothermiques enterrés de pompes à chaleur, le bâtiment étant le secteur le plus énergivore en France. Une plate-forme expérimentale a donc été mise en place sur le site du BRGM à Orléans, l’objectif étant primo d’évaluer l’effet du climat, la compacité du sol et la disposition géométrique des boucles de tuyaux sur les performances des échangeurs horizontaux (placés à 1 m sous la surface), secundo de déterminer l’impact de propriétés thermiques de sols variables avec la profondeur et/ou l’effet d’aquifères sur l’efficacité des échangeurs verticaux (jusqu’à - 100 m) et, tertio d’évaluer les performances de nouveaux types d’échangeurs. L'approche a consisté à recourir à des fibres optiques multimodes déployées le long des échangeurs et dans le sol environnant (50 cm au dessus et sous les tuyaux échangeurs) et à les interroger par un instrument fondé sur la rétrodiffusion Raman dans les fibres (technique DTS) pour obtenir leurs profils de température (à mieux que 0,5°C avec une résolution spatiale de 1 m), en particulier lors des sollicitations thermiques (injection de chaud/froid dans les échangeurs). Au-delà du DTS, l’instrumentation intègre un commutateur multiplexant 8 câbles optiques (10 km au total, soit 10 000 ‘points’ de mesure), un caisson régulé thermiquement contenant quelques mètres de fibre et 2 sondes Pt100 pour ‘caler’ les profils thermiques, un PC pilotant le DTS et le commutateur, et un autre dédié au transfert des données brutes, à leur traitement, à l’affichage et à l’archivage des résultats. Compte tenu du flux important de données à traiter (150 000/h), un logiciel dédié a été développé. Il intègre plusieurs modules dont "Topologie" (correspondance entre les données brutes et la topologie de déploiement des fibres), "Traitement du signal" (calcul des profils thermiques calibrés), et "Interface Homme Machine" (6 fenêtres de visualisation). Pour valider la méthode, une première expérimentation a été conduite sur un échangeur vertical, hors fonctionnement de la régulation thermodynamique : les mesures fournissent le gradient géothermique naturel du sous sol, ici 2,5°C/100 m mesuré à 10 m sous la surface, en bon accord avec le gradient naturel moyen dans l’hexagone (3,3°C/100 m). Puis, une fois la machinerie thermodynamique en fonctionnement, l’une des expériences a consisté à injecter, pendant 18 h, un débit de 1,2 m3/h d’eau à 35°C dans les échangeurs. Les profils issus du DTS apparaissent en bon accord avec les températures de fluide mesurées par les Pt100. Ces expériences simples valident la possibilité de mesurer le profil de température du sol autour d’échangeurs enterrés et de suivre leur évolution avec le temps grâce à cette instrumentation à fibre optique par effet Raman.

 

2- Capteur interférométrique fibré multiaxes à modulation

Auteurs : M. Suleiman, H.C. Seat, M. Cattoen

Cette présentation, issue de travaux menés à ENSEEIHT-INPT, Université de Toulouse, fût donnée par H. C. Seat du Laboratoire d’Optoélectronique pour les Systèmes Embarqués.Le schéma de principe du capteur comportant la cavité Fabry-Perot connecté à la fibre de mesure fut présenté et son fonctionnement décrit avec rigueur. H. C. Seat n’hésita pas à reprendre les notations de la 1ère figure de son article. Les relations qui permettent d’obtenir le déphasage entre les deux longueurs d’onde par modulation du courant de pilotage du laser ont été rapidement rappelées. L’orateur a pu ainsi gagner du temps de présentation et d’explications sur le système multiaxe à modulation et sur le fonctionnement du capteur en mode différentiel. Présentation qui se termina sur des relevés expérimentaux de très bonne qualité et des résultats correspondant aux attentes des géophysiciens, d’après l’orateur.

 

3- Gyromètre à fibre optique multimode à bas-coût pour les applications de moyennes performances

Auteurs : H. Medjadba, S. Lecler, L. M. Simohamed, J. Fontaine, et P. Meyrueis.

Il s’agit cette fois de travaux menés au sein du Laboratoire des Systèmes Photoniques de l'ENSPS de Strasbourg, en collaboration avec Laboratoire des Systèmes Electroniques et Optroniques de l’EMP à Bordj El-Bahri en Algérie. La présentation fût assurée par S Lecler de l’ENSPS.Elle fut à la fois très bonne et très claire sur un sujet intéressant. L’orateur et ses collègues co-auteurs sont parvenus à convaincre que l’effet Sagnac, bien connu depuis un siècle dans les interféromètres en anneau mis rotation, et exploité dans les gyrolasers à fibres monomodes (Cf. la présentation d’Hervé Lefèvre au 9ème colloque CMOI, à Nantes en 2008), pouvait être également utilisé dans les gyromètres - interféromètres à fibres, cette fois de type ‘multimodes’, associé à un traitement statistique des signaux. Les équations essentielles portant sur le moyennage nécessaire à appliquer en raison du grand nombre de modes dans la fibre ont été rappelées. Les choix de tous les éléments constitutifs du système ont été bien justifiés, complétant les calculs ou extraits de publications antérieures sur les fibres multimodes. La présentation des performances relevées sur le biais et de sa stabilité, sur la vitesse de rotation ont convaincu de l’intérêt que peut présenter ce type de gyromètre dans certaines applications où les contraintes environnementales et financières sont très sévères.Les quelques questions posées à l’orateur ont bien souligné l’intérêt de l’auditoire pour ce travail.

 

4- Capteurs à Fibres Optiques pour matériaux composites

Auteurs : C. Sonnenfeld, S. Sulejmani, T. Geernaert, F. Berghmans, H. Thienpont ,S. Eve, G. Luyckx, N. Lammens, E. Voet, J. Degrieck, W. Urbanczyk, P. Mergo, J. Wojcik, M. Becker, H. Bartelt

Il s’est agit d’une présentation donnée par Francis Berghmans, Professeur à l’Université Libre de Bruxelles, et correspondant à un travail mené avec 5 autres partenaires : l’Université de Gent [Belgique], celles de Wroclaw et de Marie-Curie [Pologne], ainsi que l’IPTH-Iéna [Allemagne]) et le Laboratoire CRISTMAT de l’ENSI Caen. Cette présentation se voulait la suite de celle donnée à Reims au CMOI 2009 réalisée, entre autres, dans le cadre du projet Européen PHOSFOS du 7ème PCRD.L’orateur a tout d’abord introduit le sujet de sa présentation en le replaçant dans le cadre de la surveillance des structures, composites en l’occurrence, par réseaux de Bragg. (Cf. la session 7 du Colloque CMOI 2008 de Nantes pour en savoir plus sur les principes de mesure sous-jacents aux réseaux de Bragg et aux techniques de mesure associées). Puis, Francis Berghmans est plus particulièrement revenu sur le fonctionnement et les performances d’une fibre micro-structurée à maintien de polarisation (fortement asymétrique), de conception nouvelle, contenant des réseaux de Bragg dans son cœur dopé Germanium. L’objectif de ces travaux concernant l’instrumentation à cœur et peu intrusive de matériaux composites organiques, l’orateur a ensuite abordé la problématique de leur contrôle santé, précisant l’objectif de mesure des contraintes résiduelles et transverses. La réponse d’un réseau de Bragg inscrit dans une fibre biréfringente se présente sous forme de deux pics spectraux, dont la séparation est liée à la biréfringence du guide et le barycentre aux contraintes d’origines thermomécaniques. Francis Berghmans a ensuite montré comment une modélisation réalisée à l’aide de l’outil informatique COMSOL Multiphysics leur a permis de calculer la sensibilité de cette fibre vis-à-vis des forces transverses, à savoir - 370 pm/(N/mm). La fibre micro-structurée a ensuite été intégrée au sein d’un composite laminé – époxy renforcé fibres de carbone – formé de 16 couches à plis croisés de type [02, 902]2S ; dont les tests ont mis en évidence : i) que les pics de Bragg fournissent les contraintes résiduelles présentes dans le composite, ii) une sensibilité significative aux déformations transversales de - 0,16 pm/(µm/m), iii) une faible sensibilité aux déformations axiales : 0,02 pm/(µm/m), prouvant la sélectivité de la transduction. Par ailleurs la sensibilité à la température de la fibre intégrée atteint [4,4 pm/°C] ce qui, une fois comparée à celle de la fibre nue [0,07 pm/°C] prouve que le réseau permet de suivre les contraintes transversales d’origine thermique. La preuve expérimentale est donc établie que cette nouvelle fibre micro-structurée à forte biréfringence permet le suivi des contraintes résiduelles d’une matrice composite au sein de laquelle elle est noyée, avec une sensibilité aux efforts transverses supérieure d’un ordre de grandeur à celle des fibres conventionnelles.

 

5- Mesures continues de déformations par des capteurs à fibre optique insérés à cœur d’une structure composite sollicitée en flexion

Auteurs : X. Chapeleau, P. Casari, J. Fajoui, F. Jacquemin et M. Drissi-Habti.

Les travaux présentés par Xavier Chapeleau s'intègrent dans le Projet DECID2 soutenu par le FUI et regroupant une quinzaine de partenaires. Ce travail concerne plus particulièrement une collaboration Nantaise, à savoir l’Université éponyme et le LCPC au sein duquel il est chercheur. L’objectif a consisté à mettre en œuvre un système de mesures réparties, en l’occurrence l’OBR [Optical Backscatter reflectometer] de chez Luna (USA) capable de fournir un grand nombre de ‘points de mesure’ le long d’une fibre optique monomode pouvant mesurer jusqu’à 70 m. Il s’agit en fait d’un Capteur à Fibres Optiques continu de déformations [résolution ~ 1 µm/m] et de température (les deux mesurandes n’étant pas discriminés) fondé sur d’une part la réflectométrie fréquentielle pour la localisation centimétrique des points de mesure et la rétrodiffusion de Rayleigh pour la mesure proprement dite. Un démonstrateur technologique a été construit à Nantes, qui comprend un panneau sandwich composé de mousse PVC (type AIREX C70 200 kg/m3), dans le but d’estimer les capacité de cette nouvelle méthode de mesure optique à répondre aux différentes attentes du secteur des matériaux composites, in fine aussi bien pour les besoins de leur fabrication que pour leur contrôle santé (suivi de cuisson, caractérisation, mesure des déformations, détection des endommagements, des délaminages éventuels …).Au sein du panneau de dimensions 800 x 250 mm² et 48 mm d’épaisseur, 3 fibres optiques monomodes ont été insérées comme suit : 2 placées longitudinalement à 3 mm des bords supérieur et inférieur, et une troisième ondulant sinusoïdalement de 10 mm de part et d’autre de la fibre neutre (6 périodes de 126 mm le long du panneau), pour être sensible aux cisaillements.L’orateur a précisé qu’une simulation mécanique avait été réalisée à l’aide COMSOL MultiphysicsTM dans l'objectif de confronter les résultats des mesures optiques à ceux du modèle (hypothèses : déformations planes ; comportement linéaire et élastique ; non prise en compte de la présence des fibres ni de la colle). Ainsi, dans un premier test de type flexion 3 points, un chargement de 200 N a été appliqué au centre de la mousse, les déformations sinusoïdales mesurées par les fibres droites atteignent environ 2000 µm/m en relativement bon accord avec le modèle, tandis que la fibre centrale, placée en sinus, détecte tout naturellement une déformation périodique, mais dont l’amplitude est sensiblement moitié de la prédiction du modèle. Les résultats d’un autre essai, réalisé cette fois avec le sandwich, sous 1000 N de chargement, puis ceux obtenus en flexion 4 points, dénotent un comportement globalement satisfaisant de la mesure optique même si les amplitudes s’écartent quelque peu des prédictions du modèle, sans doute du fait de la non prise en compte dans celui-ci de l’interface de collage ni de la présence des fibres dans la mousse. Ces tous premiers travaux démontrent la possibilité de réaliser des mesures à cœur de structures composites de type mousse PVC par la méthode fréquentielle OBR.

 

6- Principe et validation d’un capteur à fibre optique pour le contrôle de structure en matériau composite

Auteurs : B. Delobelle, F. Courvoisier, P. Delobelle et D. Perreux

La dernière présentation de cette session fût donnée par B. Delobelle du Département Mécanique de FEMTO- ST à Besançon dans la cadre d’une collaboration avec le Département Optique, tous deux appartenant à l’Université de Franche Comté. Cette présentation bien structurée analysa le comportement d’un capteur nouveau de type « fusible » à base de fibres optiques pré-endommagées. D’un point de vue pratique, pour réaliser ces capteurs-fusibles, les fibres sont soumises à des impulsions laser très brèves (quelques femtosecondes) calibrées de manière à induire des défauts « calibrés » sous faisceau gaussien aux limites de la rupture de la silice. L’étude consiste ensuite à suivre l’évolution de la rupture des fibres optiques noyées dans une structure au cours de sa fabrication et soumise à des contraintes mécaniques. L’orateur n’a pas hésité à utiliser le formalisme de Beer-Lambert et la statistique de Weibull. Il est ainsi démontré expérimentalement, et après une approche théorique intéressante sur la morphologie des défauts, que la déformation à rupture des fibres est voisine de la déformation des structures qui les renferment. A suivre ...strielles. A l’aide de la thermographie infrarouge, le protocole expérimental a été conduit pour deux types de parois minces : en aluminium et en plastique. L’interaction du jet avec la paroi se traduit par une diffusion radiale de la chaleur dans la paroi plus étendue que la diffusion de la chaleur dans le jet libre seul. L’influence du matériau sur la diffusion de la chaleur à l’approche de la feuille par le jet ainsi que sur la température maximale observée sur la paroi a également été dégagée.

 

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