IV. Stratégie de qualification de la qualité d’usinage
IV.2. Caractérisation des défauts d’usinage pour le nid d’abeilles en aluminium
Un mauvais usinage des alliages d’aluminium est synonyme de l’apparition des bavures,
[144]. La ductilité et l’épaisseur mince de la paroi d’aluminium constituant le nid d’abeilles
favorisent la formation de ce défaut lors de l’usinage de ce type de structure. Généralement,
l’usinage des nids d’abeilles en aluminium se caractérise par deux défauts détériorant la qualité
de la surface usinée ; le premier défaut se matérialise par la déformation plastique des cellules
et leur changement géométrique, le deuxième se localise au niveau des parois minces
d’aluminium à cause de leurs mauvaises découpes et leurs pliages qui favorisent la création de
bavures au niveau de la surface usinée (Figure II. 16). Ce défaut caractérise la qualité de
l’usinage puisque son apparition est synonyme d’un mauvais usinage.
(a) (b)
Figure II. 16. Cellules usinées du nid d’abeilles en aluminium : (a) cellules avec bavures et déformation plastique des parois ; (b) cellules sans bavure et sans déformation plastique.
Comme pour l’arrachement et la présence des fibres non coupées dans le cas du Nomex®,
la formation des bavures apportera une malformation et une dissymétrie au niveau des
ménisques créés de part et d’autre des parois du nid d’abeilles. Cette dissymétrie affecte la
77
qualité de l’assemblage de la structure sandwich et son maintien. Ces défauts sont déterminants
pour le comportement du matériau sandwich lors de son utilisation à cause du pelage des parois.
L’intérêt de déterminer le taux de bavure est de prévoir la qualité de surface issue de l’usinage
dans le but d’avoir des pièces finies aptes à l’utilisation dans les matériaux sandwichs.
Lors de l’usinage, les cellules subissent une déformation plastique qui change leur
configuration initiale. Le taux de déformation diffère selon les conditions de coupe utilisées.
Ce défaut de déformation accompagne l’apparition des bavures (Figure II. 16). La bavure est
définie comme l’excès de matière observée à l’extérieur de la forme géométrique idéale, dans
le cas du nid d’abeilles, la forme géométrique souhaitée est celle qui est la plus proche des
cellules initiales. La bavure est quantifiée par la mesure de ses paramètres géométriques
(longueur, largeur, épaisseur) ou bien par la mesure de la surface occupée par son profil. Dans
cette étude, on a opté pour la deuxième méthode qui est plus significative en matière de
répartition de bavure surtout que la bavure a tendance à fermer les cellules alvéolaires (voir
Figure II. 17), [145,149–156]. La difficulté rencontrée lors de la quantification de la bavure est
la définition de la limite entre la géométrie de la cellule et la bavure, Figure II. 17-b. Cette
séparation est d'autant plus difficile lorsque la déformation plastique subie par la cellule est plus
prononcée. Cela se traduit par le fait qu’il n’est pas possible d’utiliser la géométrie initiale des
cellules avant usinage vu le changement géométrique des cellules après l’opération d’usinage
(Figure II. 16).
(a) (b)
Figure II. 17. Mesure de la surface de la bavure : (a) pour un matériau plein ; (b) pour une cellule de nid d’abeilles.
A l’aide de l’interféromètre Bruker® présenté précédemment, des mesures sont
effectuées sur les cellules de nid d’abeilles. Une cellule représentative de la surface usinée est
mesurée, elle servira à la quantification de la bavure. Les étapes de la méthode mise en œuvre
sont :
Etape 1- numérisation de la cellule usinée : afin d’avoir une bonne qualité de surface
numérisée avec une bonne résolution, cette étape est effectuée par l’interféromètre
Bruker® 3D (Figure II. 18-a).
78
(a) (b)
Figure II. 18. (a) Etape 1 : Numérisation d’une cellule usinée ; (b) Etape 2 : passage de l’image 3D à l’image 2D de la cellule usinée.
Etape 2- passage de l’image 3D à l’image 2D de la cellule : l’interféromètre Bruker®
fournie une numérisation 3D de la cellule usinée, une transformation en image 2D est
nécessaire avec une vue de profil afin d’observer les bavures (Figure II. 18-b).
Etape 3- Traitement de l’image : après la conversion en 2D, ces images sont transférées
sur Matlab® pour être converties en tableau regroupant les coordonnées de chaque pixel
et le code couleur qui lui est attribué, i.e. [255 255 255] pour le blanc,
[0 0 0] pour le noir et [255 0 0] pour le rouge. Cette méthode permet de manipuler les
images comme des tableaux et ainsi effectuer les différents traitements nécessaires pour
aboutir au taux de bavures. Les traitements seront expliqués dans les étapes postérieures.
Etape 3a- Un passage de l’image en code binaire donnera une image noire et blanc
à travers la méthode de seuillage à partir d’une image à niveau de gris. Le seuillage
d'image est utilisé pour créer l’image monochrome Noir et Blanc ce qui permet
d’identifier plus facilement les limites de la cellule, [210]. L’image finale
comportera uniquement deux valeurs : 1 pour le blanc (représente la présence de
matières) et 0 pour le noir (représente le vide alvéolaire de la cellule),
Figure II. 19 b.
Etape 3b- Squelettisation : La squelettisation, appelée aussi processus
d'amincissement [211], a pour but d'extraire la ligne moyenne représentant la forme
générale de la cellule en nid d'abeilles, [212]. A cause de la bavure, le résultat de la
squelettisation montre plusieurs branches reliées au squelette brut de la cellule, ces
branches sont identifiées et supprimées afin d’obtenir le squelette de la cellule
(Figures II. 19-c et d).
79
Figure II. 19. Etape 3 : Traitement d’images : (a) image 2D en couleur ; (b) image 2D binaire ; (c) Résultat de la squelettisation avec des branches ; (d) Résultat final de squelettisation.
Etape 4 - Reconstruction de la cellule : A partir du squelette obtenu précédemment, la
reconstruction d’une cellule sans bavure est possible. Il suffit d’identifier les parois de
la cellule selon leur type (simple paroi ou double paroi) et d’ajouter sur l’image
l’épaisseur adéquate. L'épaisseur des parois du nid d'abeilles est connue selon la densité
de la structure usinée, une largeur t est attribuée aux parois simples et 2t aux parois
doubles.La reconstruction de la cellule permet d'éliminer les bavures et de conserver la
déformation plastique subie par les parois lors de l'usinage (Figure II. 20).
(a) (b)
Figure II. 20. Etape 4 : Reconstruction de la cellule sans bavure : (a) image 2D binaire avec bavure (surface usinée) ; (b) Image 2D binaire reconstruite à partir de la squelettisation de la cellule (sans
bavure).
Etape 5 - Superposition des deux images : A cette étape deux images de la même cellule
sont disponibles, une première contenant la cellule originale avec les bavures et une
deuxième après traitement excluant les bavures et respectant l’épaisseur de chaque
paroi. Afin de localiser les bavures, une superposition de deux images est effectuée ce
qui permet de bien observer l’excès de matière sur les parois. La Figure II. 21 représente
80
la superposition des deux images, la surface rose représente les bavures existantes sur
la cellule usinée et la zone blanche représente la zone occupée par la cellule sans bavure.
(a) (b) (c)
Figure II. 21. Etape 5 : superposition des deux images : (a) image 2D binaire avec bavure ; (b) image 2D binaire reconstruite sans bavure ; (c) image de la superposition des deux précédentes images
(*Blanc : cellule sans bavure ; *Rose : bavure ; *Noir : vide).
Etape 6 - Calcul du taux de bavure : Le taux de bavure dans une cellule est calculé par
l’équation suivante :
bavure bavure totalS
S
(Eq II. 9)
avec
bavure: Taux de bavure.
bavureS : Surface de bavure.
totalS : Surface total de la cellule usinée.
La surface de bavure et la surface totale de la cellule usinée sont mesurées avec le nombre
de pixels contenus dans chaque surface. La Figure II. 22 montre l’algorithme du protocole de
mesure de bavure pour une surface usinée de nid d’abeilles en aluminium. Pour résumer, le
protocole de quantification de taux de bavure se décompose en trois grands volets : la
préparation d’échantillon, le traitement d’images et l’identification de la bavure.
Plusieurs mesures seront effectuées dans le chapitre suivant afin d’étudier l’effet des
conditions de coupe sur la qualité de surface ainsi que l’effet de l’évolution de l’usure sur la
qualité de l’usinage du nid d’abeilles.
L’utilisation d’un profilomètre 3D est facultative, cette méthode est applicable aussi pour
des clichés de cellules prises par n’importe quelle technique d’imagerie (microscope optique,
MEB, appareil photo numérique, etc.). L’intérêt d’utiliser le profilomètre est la précision de la
numérisation qui est de l’ordre d’une dizaine de nanomètres et une qualité finale d’image avec
un très grand nombre de pixels (par exemple 5 290 000 pixels pour une image de 4 mm x 4
mm) ce qui rend l’analyse plus fiable et diminue les erreurs de mesure.
81
Figure II. 22. Protocole de mesure de la bavure pour une cellule de nid d’abeilles.