Étalonnages et incertitudes de mesures - Cetim

CETIM CERMAT
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EDITO
JOURNAL D’INFORMATIONS DU CETIM CERMAT
2001 est entrée dans
l’histoire, place à 2002 !
Pour beaucoup d’entre
nous, le début d’année
est une période propice
à la mise en route de
nouvelles stratégies
et plans d’actions.
Mais quelle stratégie de
développement adopter
à un moment où de
nombreux augures
annoncent, au mieux
un ralentissement
économique, au pire une
récession ?
En ce qui nous concerne,
nous avons retenu
d’appliquer tranquillement
une stratégie de poursuite
du développement pour
notre bien et... celui de
votre entreprise.
Faisons ensemble le pari
du développement et du
maintien de la croissance.
J’inscris le CETIM CERMAT
dans cette perspective en
investissant fortement
dans le domaine des
essais automobiles et en
renforçant notre position
de leader dans le domaine
de l’expertise d’avaries.
Ne pas se laisser atteindre
par une quelconque
morosité et un quelconque
pessimisme ! C’est notre
appel à la résistance.
Bonne croissance à tous !
labo
I nfoMétrologie
dimensionnelle
Étalonnages et incertitudes
de mesures
ourquoi étalonner ou vérifier
un instrument de mesure ?
Afin de satisfaire les exigences de
tel ou tel référentiel normatif ou tel
ou tel auditeur ?
Assurément non !
P
Un instrument ou un dispositif de
mesure est, à travers l’opération
d’étalonnage, métrologiquement
examiné. L’objet de cet examen
qui s’intéresse à des paramètres
tels que la justesse, la fidélité, la
réversibilité... est de définir un
champ d’application à l’intérieur
duquel l’instrument ou le dispositif
sera parfaitement apte à remplir
les fonctions qui lui sont assignées.
On obtiendra alors ce qu’on appellera une mesure satisfaisante.
Mais qu’est ce qu’une mesure
satisfaisante ?
C’est une mesure pour laquelle
l’incertitude de mesure présentera
un caractère suffisamment modeste eu égard aux tolérances dimensionnelles que l’on cherche à
mesurer. On se fixera alors un rapport maximal entre l’incertitude de
mesure et l'intervalle de
tolérance.
Couramment, si T représente la tolérance sur la
dimension à mesurer et
I l’incertitude de mesure
qui entache l’opération,
on se fixe la règle dite
du quart, soit encore
2 I/T 1/4
Ainsi une mesure sera dite satisfaisante lorsque le rapport entre l’incertitude globale de mesure (2I) et
la tolérance sera inférieure ou
égale à un quart.
L’étalonnage est la seule opération
qui permette de qualifier et quantifier la contribution d’un instrument ou d’un dispositif de mesure
à l’incertitude globale. Il s’agit
donc de d’une opération métrologique et non d’un acte obligatoire
et administratif dans le cadre
d’une certification.
Ainsi, bien souvent, notre bon
vieux pied à coulisses au 1/100
mm n’est capable, dans bien des
cas, que d’assurer la mesure de
pièces tolérancées à 1/10 mm.
Pascal GADACZ
Responsable du Laboratoire de Métrologie
dimensionnelle
Georges Meyer
Directeur
N°2 - FÉVRIER 2002
labo
I nfoVibrations
- Acoustique
Les essais d’endurance vibratoire
es pièces montées sous le capot d’un véhicule
(mais ce ne sont pas les seules) sont soumises
à des sollicitations vibratoires et thermiques qu’il
convient de simuler si l’on souhaite s’assurer de leur
bonne tenue dans le temps.
L
En effet, les constructeurs automobiles imposent de
plus en plus à leurs équipementiers des processus de
qualification de produits qui incluent dans leurs cahiers
des charges des tests des résistance mécanique en
environnement vibratoire, parfois combinés à un cyclage climatique (thermique et humidité).
Pour évaluer le comportement d’une pièce aux sollicitations vibratoires, on peut opérer de différentes façons
et à différents stades :
◆ la simulation sur maquette virtuelle : dans ce premier cas, c’est le modèle CAO qui, grâce à un logiciel
dédié (I-DEAS vibro acoustics, par exemple) va être
confronté au cahier des charges du constructeur en
termes de vibrations. Ce dernier fixe les fréquences,
amplitudes et accélérations à appliquer ainsi que les
points d’application de ces sollicitations. On observe
alors des résultats en termes de déformations,
contraintes... Cette méthode est usuellement adoptée
en phase de conception mais permet également l’optimisation de pièces existantes.
◆ les tests d’endurance sur table vibrante, le plus
souvent utilisés lors de la phase de développement et
d’optimisation d’un prototype ou pour qualifier le produit final. Dans ce cas, c’est la pièce terminée (ou un
prototype), montée dans une configuration représentative du véhicule, qui va être testée sur une table vibrante.
Un générateur au service de la
réalisation des essais d’endurance
Le CETIM CERMAT vient de se doter d’un générateur
de vibrations électrodynamique qui peut opérer en
conditions de température et humidité contrôlées. Ce
moyen d’essais permet de soumettre une pièce à des
vibrations sinusoïdales, soit à fréquence fixe, soit par
balayage d’une plage de fréquences. Il permet aussi de
générer des vibrations aléatoires, des chocs/secousses
et de fatiguer une pièce par suivi de résonances après
identification de ces dernières.
Capable de générer des vibrations de fréquences comprises entre 5 et 2100 Hz, le générateur développe une
poussée maximale de 56 kN, ce qui permet d’atteindre
des accélérations jusqu’à 100 g et d’exciter des pièces
jusqu’à 700 kg. Le générateur de vibrations peut être
couplé à une table vibrante horizontale (plateau de
750x750 mm). De cette façon, les vibrations peuvent
être appliquées aux pièces suivant les trois axes de
l’espace.
Bien souvent, un test de tenue aux vibrations sur des
pièces constitutives d’une automobile, à plus forte raison les composants de ses organes de motorisation, ne
se satisfait pas à lui-même. Pour assurer une reproductibilité des conditions réelles dans lesquelles ce
composant sera amené à fonctionner, la sollicitation
vibratoire peut être combinée à un cyclage climatique,
assurant des alternances de températures froides, élevées sous atmosphère humide ou non.
Normes : un critère surévalué ?
Le CETIM CERMAT dispose d’une nouvelle enceinte climatique spécialement étudiée pour s’adapter sur son
générateur de vibrations. Elle permet de réaliser des
cycles en température de - 60°C jusqu’à 180°C en
ambiance sèche ou humide (1 à 98% HR).
Les essais d’endurance aux vibrations sont typiquement destinés à s’assurer qu’une pièce ou un composant posséderont la résistance mécanique suffisante
pour assurer pleinement ses fonctions pendant toute
sa durée de vie. Ainsi, il s’agit de reproduire en un
temps restreint les contraintes auxquelles cette pièce
sera soumise. Aussi, pour compenser la réduction du
temps d’essai, les niveaux vibratoires réels sont démultipliés. Par exemple, un essai typique pour un composant de moteur automobile, devant fonctionner une
dizaine d’années dans les conditions habituelles de circulation, est défini par un balayage sinusoïdal d’une
plage de fréquence représentative des fréquences rencontrées dans son environnement réel à un niveau
d’accélération de 25 g pendant 100 heures par axe.
Bien souvent, les essais d’endurance sont complétés
par des essais de chocs. Les essais en mode aléatoire
simulent quant à eux le transport routier. Parfois, la
pièce est sollicitée uniquement aux fréquences critiques pour lesquelles elle entre en résonance. Ce type
d’essai est qualifié d’essai de fatigue. La pièce est alors
préalablement instrumentée de façon à identifier ses
résonances, puis elle est excitée aux fréquences de
résonance. De façon à maintenir les conditions de criticité, le pilotage permet un suivi de la résonance, qui peut
se déplacer en fréquence avec la fatigue de la pièce.
Mais les tests de tenue aux vibrations ne se limitent pas
aux essais automobiles. Ils concernent tous types de
secteurs d’activité.
Il existe des normes forfaitaires génériques (normes
NF, normes ISO, normes militaires...) qui définissent
des spécifications d’essais pour certaines catégories de matériel. Le recours à ces normes est très
répandu dans le milieu industriel. Toutefois, les
industriels ont souvent trop tendance à s’appuyer
sur ces critères, sans se poser la question de savoir
si la sévérité de la spécification retenue est réellement adaptée à la pièce testée et si elle simule tous
les types de sollicitations auxquelles la pièce sera
soumise durant son cycle de vie. Par exemple, les
constructeurs automobiles se basent de plus en
plus sur des niveaux vibratoires relevés sur une voiture lors d’essais en environnement réel pour élaborer des spécifications d’essai représentatives du
cycle de vie de la pièce. Par l’expérience qu’il a pu
acquérir tout au long des essais qu’il a organisés, le
CETIM CERMAT est à même d’accompagner toute
démarche de spécification de cahier des charges et
à proposer un essai représentatif de la sévérité de
l’environnement auquel sera soumis le produit.
A titre d’exemples, certains essais réalisés par le CETIM
CERMAT sont décrits ci-dessous :
◆ des essais sur table vibrante ont permis de vérifier
l’absence de desserrage des écrous de poignées de
bouteilles de gaz lors de leur transport routier,
◆ des essais de simulation de transport ont permis de
valider la résistance d’un photocopieur emballé,
◆ des essais de chocs sur du matériel de téléphonie
mobile ont permis de garantir leur résistance en conditions d’utilisation extrêmes.
Tarik AÏT-YOUNES
Responsable du laboratoire Vibrations / Acoustique
labo
I nfoMatériaux
de synthèse
Les essais automobiles
Rappelons qu’il s’agit, à partir de cahiers des charges
techniques émis par ces derniers (PSA, RENAULT, VAG,
MERCEDES...) de vérifier qu’une pièce ou un ensemble
(encore appelé fonction) remplit correctement les fonctions qui lui sont assignées.
◆ subir les manipulations fréquentes de la main du
conducteur et, par voie de conséquence, subir une
attaque liée à la sueur qui peut revêtir un caractère
acide ou basique.
◆ subir les assauts climatiques qui font que la température à l’intérieur d’un véhicule peut aller de -30 à
plus de 60°C.
◆ subir des chocs par chute de masses.
◆ subir l’action abrasive des frottements.
◆ subir l’agression de divers produits de nettoyage...
Prenons l’exemple d’un pommeau de levier de
vitesses. Durant son existence il va :
À l’issue de cette conjugaison d’attaques diverses, le
pommeau de levier de vitesses devra conserver son
epuis quelques années déjà, le laboratoire des
matériaux de synthèse pratique les essais exigés
par les constructeurs automobiles nationaux et internationaux.
D
état initial en termes d’aspect et de fonctionnalité. C’est
là l’objet des cahiers des charges d’essais et simulations mis au point par les constructeurs.
Le département matériaux de synthèse a étoffé son
offre dans ce domaine et traite aujourd’hui :
◆ Les essais physico-chimiques (tenue aux frottements, à l’abrasion, tenue aux produits de conditionnement et déconditionnement, tenue à la sueur,
à l’eau chaude...),
◆ Les essais cyclés de vieillissement climatique,
◆ Les essais de corrosion,
◆ Les essais de tenue aux rayonnements UV,
◆ Les essais mécaniques,
◆ Les essais de tenue au feu,
◆ Les essais de tenue en pression souples à la température.
Il se positionne entre constructeurs et équipementiers
en qualité d’interface afin de procéder à la validation
d’échantillons initiaux ou prototypes.
Facies de rupture d'une pièce en polyamide renforcée par
des fibres de verre (image prise à l'aide d'un microscope
électronique à balayage)
«Afin de structurer ce service, nous avons procédé à de
nouveaux investissements tels que l’enceinte CI 3000
et nous nous préparons à accréditer tout ou partie de
ces services par le COFRAC», déclare Fabrice Laurent,
responsable du laboratoire matériaux de synthèse.
L’expertise des pièces en plastiques, composites
et élastomères
’une des activités proposées par le laboratoire
Matériaux de synthèse est l’analyse de défaillance et l’expertise des pièces plastiques, composites et
élastomères. A ce titre, plus de cent analyses de
défaillances sont conduites par an. Elles concernent
notamment les pièces en thermoplastiques chargés ou
non. Les exemples sont malheureusement nombreux
et touchent tous les acteurs économiques :
L
Un lot d’une centaine de pièces cylindriques en polycarbonate extrudé et usiné est stocké à température
ambiant, durant un an à l’abri de la lumière et de l’humidité. Un grand nombre d’entre elles présentent des
fissurations multiples inexplicables lors du déballage !
Le client ne comprend pas, il décide de nous solliciter.
Il recherche à travers sa démarche plusieurs voies :
l’amélioration de la qualité, l’optimisation du procédé
de transforamtion, la recherche de responsabilités et la
prévision du comportement des pièces du même lot
déjà en service...
Après nous avoir exposé les conditions de stockage de
la pièce, la matière utilisée, le mode de transformation
et d’usinage et les conditions d’utilisation en service,
nous proposons un plan d’action visant à identifier
l’origine de la rupture, le cas échéant, à préconiser des
solutions et à emettre un avis technique sur la pérennité des pièces en service.
Les pièces sont stockées les unes dans les autres avec
un ajustement glissant juste. Les fissures sont toutes
axiales, la pièce subit par conséquent des contraintes
radiales. Manifestement, les pièces ont subi une modification structurale agissant sur leur stabilité dimensionnelle. Il s’agit à travers nos investigations d’identifier ce ou ces mécanismes.
Les pièces sont observées, et analysées, notamment d’un
point de vue thermique par DSC. Deux pièces de deux lots
différents sont comparées (un fissuré, l’autre non). Les thermogrammes montrent clairement un pic de relaxation
intense sur l’échantillon de la pièce fissurée, et un pic de
relaxation faible sur une pièce conforme. Il s’agit là d’un cas
d’école : le polycarbonate lors de sa mise en œuvre à subi
un brutal refroidissement générant à long terme, même
dans des conditions peu sévères et en dessous de la température de transition vitreuse, un vieillissement de relaxation de volume « VRV » caractérisé par un retrait volumique
et un retour vers un état d’équilibre des macromolécules.
L’origine de la fissuration est la conjonction de ce « VRV »
et du stockage en position bloquée d’une partie du
cylindre. Le client est rassuré sur la pérennité des pièces
en fonctionnement, qui ne subissent aucune contrainte,
et connaît l’origine de ce phénomène inexpliqué.
Fabrice Laurent
Responsable du laboratoire matériaux de synthèse
labo
I nfoMétallurgie
et Corrosion-surfaces
Une technique d’analyse universelle :
la spectrométrie de fluorescence x dispersive
en longueur d’onde
Le principe :
Excitation par une source de rayons X d’un échantillon
puis analyse de la fluorescence X qui en résulte.
L’appareil :
PHILIPS modèle PW 2404 équipé de 8 cristaux analyseurs et de 3 détecteurs capables de couvrir une des
gammes les plus larges en éléments (à partir du bore
jusqu’à l’uranium) ainsi qu’en concentration.
Deux modes d’analyse :
Mode semiquantitatif :
Sur un échantillon inconnu, détection de tous les éléments à partir de 10ppm environ (=0.001%)
Mode quantitatif :
A partir d’étalons de référence, dosage d’un ou plusieurs éléments dans une matrice quelconque. Par
exemple, familles d’alliages, d’oxydes,... Limite de
détection 1ppm (=0.0001%).
Les avantages :
Analyse sur tout type de matériau :
◆ Conducteur ou non conducteur
◆ Tout solide : métal, verre, céramique, papier,
plastiques (massif ou granulés),...
◆ Tout liquide : eaux, huiles, colles, peintures,
vernis,...
◆ Autres : boues, sols, cendres, produits de corrosion,...
Détection de tous les éléments à partir du bore.
Rapidité : réponse dans les 24 heures.
Au service de tous les secteurs de l’industrie.
« La véritable performance de l’appareil
est liée à la compétence et à l’expérience
des personnes qui l’utilisent
et qui interprètent tous les résultats
aussi bien en terme d’exactitude qu’en termes
de vraisemblance et de pertinence. »
Exemples d’applications :
Analyse de sol
Nous avons pu détecter une teneur en cuivre de 0.004%
dans de la terre. Le cuivre est un élément poison pour
les moutons. Il semble d’ailleurs qu’il ait entraîné la
destruction d’un cheptel en quelques années (affaire
encore en cours).
Un des scans d’analyse obtenus avec l’appareil
PHILIPS PW 2404 montrant la pollution de chlore
phosphore et soufre sur un alliage fer-molybdène.
Le cuivre contenu dans la terre se retrouve
également dans l’herbe consommée par les
animaux
Analyse de silicium dans du toluène
Pour satisfaire aux exigences de la fabrication de produits pharmaceutiques, cet industriel a obligation de
nettoyer ses réacteurs avec du toluène. Le silicium permettant de tracer la présence d’une molécule complexe, il a été utilisé pour définir le nombre de nettoyages à effectuer, le critère étant %Si<5ppm
(0.0005%). Cette valeur est obtenue après 3 nettoyages
au lieu des 5 préconisés.
Détection de chlore dans une peinture
Après l’observation de nombreuses ruptures sur le
même type de pièces, dont l’amorce était proche d’un
marquage à la peinture, nous avons proposé à l’industriel d’analyser sa peinture. Nous avons ainsi pu révéler la présence de chlore, responsable d’un début de
corrosion amorçant une rupture en fatigue.
Analyse de taches indélébiles sur des portes vitrocéramiques
Par comparaison avec l’analyse du papier d’emballage,
nous avons pu montrer que ces taches provenaient de
certains éléments présents dans le papier. Depuis que
l’emballage se fait avec du papier ne contenant pas ces
éléments il n’y a plus de problème.
Dosage de fer dans les plastiques
La dégradation de pièces plastiques chargées graphite
nous a conduit à rechercher ce qui pouvait être en partie responsable de cette dégradation. Réponse : le fer à
une teneur d’au moins 0.3%.
Mise en évidence d’une corrosion bactérienne
L’analyse d’un dépôt de corrosion a permis de détecter
la présence de soufre, révélateur de bactéries sulfatoréductrices, ayant fortement accéléré la corrosion et
donc réduit la durée de vie d’une tuyauterie en acier au
carbone.
Brèves
Brèves
Brèves
Acquisition d’un CI 3000 :
le CETIM CERMAT, dans le cadre du
développement de son pôle essais
automobiles, s’est équipé d’une
enceinte climatique CI 3000 destinée
aux tests de durabilité sous
environnement climatique
et rayonnements UV contrôlés.
Acquisition d’une table vibrante :
dans ce même cadre nous avons
procédé à l’achat d’une table
vibrante dont les caractéristiques
sont décrites au sein de l’article
« infos labo Vibrations ».
Site web : notre site internet
(www.cetim-cermat.com) a été
complètement refondu.
Nous vous invitons à le visiter.
Les salons :
- MICRONORA du 1er au 4 octobre 2002
à Besançon
- ALLIANCE du 23 au 26 avril 2002
à Lyon
- MIDEST en novembre 2002 à paris
- PROCEED à Nancy
Intérieur de la conduite avec des cupules sous
lesquelles se développe la corrosion bactérienne
CETIM-CERMAT : 21, rue de Chemnitz B.P. 2278 - 68068 MULHOUSE cedex
Tél. 03 89 32 72 20 - Fax : 03 89 59 97 87
http://www.cetim-cermat.fr - e-mail : [email protected]
Design : Cirrus en Campagne / RC Saverne TI A 400 215 042
Contacter : Secteur analyses : Lucien Wahringer,
Natali Zaric
Secteur corrosion : Françoise Liautaud,
Christophe Holterbach
1/2 journée « Corrosion
et Traitement de surfaces » :
jeudi 18 avril 2002 de 15h
à 18h au Technopole.