Les méthodes de numérisation 3D comprennent la mesure par contact, la numérisation optique sans contact et la numérisation par sections sériées destructives. Cet article explique comment les systèmes CMM et les bras articulés acquièrent des données de coordonnées, puis compare la télémétrie laser, la triangulation laser, la lumière structurée, le codage en code Gray et l'analyse d'images. Il décrit également la section séquentielle destructive et la tomographie assistée par ordinateur industrielle pour la géométrie interne et externe. Ce guide présente les principes de fonctionnement, les atouts, les limites, les considérations relatives à la précision, ainsi que les applications typiques de chacune de ces méthodes en matière de rétro-ingénierie et de contrôle qualité. Il aide les ingénieurs à choisir une méthode adaptée à la géométrie, à l'état de la surface et aux objectifs d'inspection.
La technologie de numérisation 3D peut être classée en trois catégories : les méthodes avec contact, sans contact et destructives. Elle est largement utilisée dans les domaines de la mesure, de la rétro-ingénierie, du contrôle qualité et dans d'autres applications connexes.
Les machines à mesurer tridimensionnelles (CMMs) sont des instruments de mesure précis et performants mis au point dans les années 1960. Leur apparition a été motivée par le besoin de disposer d’équipements de mesure fiables pour permettre l’usinage efficace de pièces de plus en plus complexes sur des machines-outils automatiques et CNC. Les progrès réalisés dans les domaines de l'électronique, de l'informatique, de la commande numérique et de l'usinage de précision ont également fourni les bases techniques nécessaires aux CMMs.
En 1960, la société britannique Ferranti a mis au point avec succès le premier CMM au monde. À la fin des années 1960, plus de 30 entreprises réparties dans près de 10 pays fabriquaient des CMM, même si ces produits en étaient encore à leurs balbutiements. À partir des années 1980, des entreprises telles que ZEISS, Leitz, DEA, LK, Mitutoyo, Ferranti et Moore ont continué à lancer de nouveaux produits, ce qui a entraîné un développement rapide des CMM. Les CMM modernes peuvent effectuer des mesures complexes sous contrôle informatique, échanger des informations avec des machines-outils CNC pour contrôler l’usinage et prendre en charge la rétro-ingénierie à partir des données de mesure.
Aujourd'hui, les CMM sont largement utilisés dans les secteurs de la fabrication mécanique, de l'automobile, de l'électronique, de l'aérospatiale et de la défense. Ils sont devenus des équipements indispensables pour l'inspection industrielle et le contrôle qualité modernes.
Un CMM est un système mécatronique typique composé principalement de systèmes mécaniques et électroniques.
Le principe de fonctionnement d'un CMM consiste à convertir la mesure de caractéristiques géométriques en mesure des coordonnées d'une série de points situés sur ces caractéristiques. Une fois les coordonnées des points obtenues, des calculs mathématiques permettent de déterminer les dimensions et les tolérances géométriques. Par exemple, lors de la mesure d'un alésage cylindrique, plusieurs points peuvent être palpaés dans un plan perpendiculaire à l'axe de l'alésage. Leurs coordonnées spatiales peuvent ensuite être utilisées pour calculer le diamètre de l’alésage, les coordonnées du centre, l’erreur de circularité, l’erreur de cylindricité et la relation de position de l’axe de l’alésage. Cela démontre la grande polyvalence et la flexibilité d’un CMM : en principe, il peut mesurer n’importe quelle caractéristique géométrique et n’importe quel paramètre de n’importe quelle pièce.
Une machine de mesure à bras articulé est également un appareil de mesure par contact. Contrairement à un modèle CMM, elle ne comporte ni plateau de travail de précision, ni colonne, ni glissières de guidage. Elle utilise en revanche un bras articulé doté de plusieurs degrés de liberté et peut servir de machine de mesure par coordonnées flexible.
Un capteur peut être installé à l'extrémité du bras. Des codeurs rotatifs enregistrent l'angle de rotation de chaque articulation, et les coordonnées spatiales du capteur sont calculées à l'aide de principes cinématiques. Lors de l'utilisation, un opérateur tient le bras de mesure et met la sonde en contact avec la surface à inspecter. Une simple pression sur un bouton permet d'enregistrer les coordonnées et l'orientation de la poignée de la sonde, qui sont ensuite transmises via un câble série au logiciel de mesure. Ce type de machine n'est pratiquement soumis à aucune restriction en termes d'orientation et peut effectuer des mesures dans n'importe quelle position au sein de son espace de travail. Elle est généralement utilisée pour la mesure par rétro-ingénierie de grandes matrices de tôlerie, notamment les bras manuels de CIM-CORE et FARO.
Par rapport aux modèles CMM, les machines de mesure à bras articulé offrent une précision légèrement inférieure, mais disposent d'une plage de mesure plus étendue et présentent moins de contraintes liées à la taille et à la forme des pièces. Elles sont compactes, polyvalentes et adaptées à la mesure en cours de fabrication. À tous les autres égards, elles sont similaires aux modèles CMM.
La mesure sans contact repose principalement sur des principes optiques pour l'acquisition des données. Parmi les méthodes courantes, on peut citer la télémétrie laser, la triangulation laser, la lumière structurée, l'analyse d'images et la mesure interférométrique. Les équipements de mesure optique offrent une grande rapidité de mesure et un haut degré d’automatisation. En l’absence de pression de contact ou de frottement, ils permettent d’éviter les erreurs de mesure dues à la déformation de la pièce sous l’effet d’une force, ce qui les rend particulièrement adaptés à l’acquisition rapide et à grande échelle de données à partir de modèles complexes.
Le principe de base de la mesure optique consiste à convertir une grandeur physique analogique en données de coordonnées correspondant à la surface de la pièce, à l'aide d'algorithmes appropriés.
La télémétrie laser permet de calculer la distance entre un point mesuré et un plan de référence à partir du temps de vol du faisceau laser, de la vitesse de la lumière et de l'indice de réfraction de l'atmosphère. La mesure directe du temps étant difficile à réaliser, on recourt généralement à la mesure de phase en onde continue dans les télémètres à phase. Cette méthode permet de mesurer des distances de plusieurs centaines de mètres avec une précision typique de l'ordre du millimètre.
La triangulation laser utilise la position et l'angle entre une source lumineuse et un capteur d'image, tel qu'une caméra, pour calculer les coordonnées spatiales de points. Elle peut être utilisée pour mesurer des points, des lignes ou des surfaces.
Les méthodes à lumière structurée projettent un motif lumineux spécifique, tel que des rayures ou des grilles, sur la surface d'un objet. Les coordonnées tridimensionnelles de la surface sont calculées en analysant la manière dont le motif réfléchi est déformé par la surface courbe. Une approche courante consiste à utiliser des réseaux de diffraction projetés, qui permettent d'obtenir des informations de hauteur à partir de la déformation des rayures du réseau provoquée par les variations d'élévation de la surface.
Contrairement à l'analyse d'images passive, la lumière structurée nécessite la projection active d'une source lumineuse artificielle. La vision stéréoscopique passive utilise une ou plusieurs caméras pour photographier un objet sous différents angles et calcule la profondeur à partir de la disparité des images. Les systèmes binoculaires à lumière structurée combinent les avantages de ces deux approches et permettent d'améliorer encore l'efficacité des mesures.
La mesure binoculaire par lumière structurée permet d'acquérir une grande quantité de données en une seule opération et convient à la mesure efficace de surfaces complexes. Cependant, les résultats sont influencés par les propriétés optiques de la surface de l'objet, ce qui rend les surfaces transparentes ou noires plus difficiles à mesurer. La précision est généralement légèrement inférieure à celle de la mesure par contact.
Le scanner optique ATOS de la société allemande GOM est un système de mesure à lumière structurée typique. Il projette des bandes de réseau sur la surface d’un objet, utilise deux caméras haute résolution pour capturer les images des bandes déformées, puis calcule les coordonnées tridimensionnelles de la surface. Il permet d’acquérir des données complètes de nuages de points pour des structures complexes en très peu de temps. L'ATOS II dispose d'une zone de mesure unique d'environ 280 mm sur 350 mm, peut capturer jusqu'à 1,3 million de points de balayage et atteint une précision de mesure unitaire de plus ou moins 0,03 mm. Pour les objets de plus grande taille, il est possible de créer des modèles complets en combinant des mesures prises sous plusieurs angles, avec une précision d’assemblage d’environ 0,1 mm/m.
Le code de Gray, associé à un déphasage sinusoïdal, est une méthode de codage couramment utilisée dans la technologie de la lumière structurée. Le code de Gray commence par diviser l'espace de mesure en zones afin de déterminer la position approximative de chaque point. Le déphasage est ensuite utilisé pour un positionnement précis au sein de chaque zone.
La principale caractéristique du code de Gray réside dans le fait que les codes adjacents ne diffèrent que par un seul bit. Cela permet d'éviter les erreurs pouvant survenir lorsque plusieurs bits changent simultanément, garantissant ainsi une grande fiabilité et un faible taux d'erreur de décodage pour les mesures à grande portée. Ses principales caractéristiques sont les suivantes :
La technologie des réseaux de phase hétérodynes multifréquences utilise un projecteur DLP pour projeter des réseaux numériques générés par ordinateur sur la surface d'un objet. Deux caméras capturent de manière synchrone les franges déformées, puis des calculs de phase permettent d'obtenir des données de nuage de points tridimensionnel pour la surface de l'objet. Cette approche permet d'ajuster de manière flexible la fréquence du réseau tout en conservant une grande précision de projection.
L'analyse d'images utilise la position relative d'un même point dans plusieurs images pour calculer la distance à partir de la disparité et obtenir ainsi les coordonnées spatiales de ce point. Elle est également souvent associée à d'autres méthodes optiques afin d'améliorer l'efficacité et l'applicabilité des mesures.
Un scanner à sectionnement en série automatique combine l'enlèvement de matière couche par couche et la numérisation couche par couche afin d'acquérir les données de contour internes et externes d'un modèle. Tout d’abord, la pièce à mesurer est entièrement encapsulée dans une résine spéciale chargée de poudre de graphite ou de pigment. Une fois la résine durcie, elle est fixée sur une fraiseuse et usinée avec une très faible profondeur de coupe afin de créer une coupe transversale contenant à la fois la pièce et la résine. La coupe est ensuite déplacée sous une caméra numérique CCD pour un échantillonnage numérique. Comme il existe une limite distincte entre le matériau d’encapsulation et la pièce, des techniques de traitement d’images numériques telles que le filtrage, l’extraction des contours, l’analyse de texture et la binarisation permettent d’extraire le contour de cette limite et d’obtenir les coordonnées de ce contour. L’usinage et l’analyse sont répétés jusqu’à ce que les données de coordonnées de toutes les sections du modèle soient obtenues.
Par rapport à la tomodensitométrie industrielle, les scanners à coupes sériées automatiques présentent des coûts d'équipement et d'exploitation moins élevés. Comme ils reposent sur l'extraction de pixels, ils permettent également d'acquérir un volume important de données à chaque couche. Leur inconvénient majeur réside dans le fait qu'ils détruisent l'objet mesuré. Le RE1000 de la société américaine CGI est un scanner à coupes sériées automatiques relativement abouti, disponible sur le marché.
La tomographie industrielle (ICT) offre une méthode tomographique numérique non destructive permettant de reproduire des structures internes et externes complexes ainsi que les formes des matériaux. Une fois qu'un échantillon physique a été soumis à un balayage tomographique, l'ICT génère une série de coupes transversales et de données. Ces coupes et ces données contiennent des informations complètes sur les contours de la section transversale de la pièce et sur sa structure interne.
Les TIC étendent l'application réussie de la tomodensitométrie médicale au secteur industriel. Elles peuvent être utilisées pour la modélisation inverse et le contrôle qualité de pièces moulées de petite, moyenne et grande taille présentant des structures complexes, ainsi que pour l'analyse technique, le diagnostic non destructif des défaillances et de la fiabilité des produits, et l'analyse des structures d'assemblage.
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