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Mesure de l’épaisseur des parois des produits dans l’industrie du moulage par soufflage


Introduction

Pendant longtemps, le processus de contrôle de la qualité des pièces moulées par soufflage consistait à les découper avec des couteaux universels pour ensuite en mesurer l’épaisseur à l’aide de pieds à coulisse. Cette méthode d’inspection traditionnelle pose un certain nombre de problèmes. Lorsqu’on découpe une pièce, des bavures apparaissent généralement sur le rebord coupé. Si le contrôleur de la qualité prend la mesure par-dessus la bavure, il ne s’agit pas d’une véritable mesure d’épaisseur de paroi. S’il est prudent et qu’il évite les rebords déformés, les emplacements où la mesure peut être effectuée à l’aide d’appareils mécaniques sont tout de même limités. Souvent, la forme de la pièce ne permet pas l’accès aux coins étroits ou, pour les bouteilles, à la zone de la poignée. De plus, une fois que la pièce a été détruite pour permettre la mesure de l’épaisseur, il est impossible de s’en servir pour la plupart des autres types de contrôle. Les variations entre les différentes façons de procéder des contrôleurs posent aussi souvent problème. Les pieds à coulisse peuvent causer des erreurs quand ils sont tenus à angle par rapport à la pièce. Aussi, s’ils sont utilisés sur des matériaux compressibles, les mesures peuvent varier d’un contrôleur à l’autre. Il y a aussi un problème potentiel de sécurité. Comme les contrôleurs doivent utiliser des couteaux universels plusieurs fois par quart de travail pour le découpage des pièces, le risque de blessures sérieuses est élevé.

Il existe deux méthodes électroniques permettant de réduire ou d’éliminer tous ces problèmes : la mesure par ultrasons et la mesure à effet Hall. Ces deux méthodes sont maintenant souvent utilisées pour le contrôle de la qualité du moulage par soufflage. Le choix de la méthode de mesure et les facteurs qui le justifient (lesquels sont mentionnés à la fin de la présente note d’application) dépendent généralement du produit à inspecter.

Théorie sur la mesure par ultrasons

Les mesureurs d’épaisseur à ultrasons fournissent un moyen reproductible, fiable et précis d’effectuer des mesures non destructives de l’épaisseur des parois à partir d’un seul côté de la pièce. Pour ce faire, ils mesurent le temps que prennent les ondes ultrasonores à traverser la pièce. La sonde est placée sur la surface de la pièce à mesurer et y est couplée acoustiquement à l’aide d’un fluide, normalement de la glycérine, du propylèneglycol ou de l’eau. L’impulsion ultrasonore se déplace de la surface de contact au côté opposé et revient vers la sonde sous forme d’écho (voir la figure 1). Le mesureur évalue le temps de propagation de l’impulsion acoustique à travers le matériau (voir la figure 2) et utilise la vitesse de propagation dans le matériau mesuré pour en calculer l’épaisseur à l’aide de l’équation indiquée ci-dessous.

Figure 1. La sonde est placée sur la pièce. Le son émis par la sonde effectue un aller-retour entre la surface de contact et la surface arrière.

Figure 2. L’impulsion initiale représente le son entrant dans la pièce. L’écho de fond représente le son revenant de la surface opposée. « t » représente le temps de vol de l’impulsion sonore. Le mode 1 fait référence à la méthode de mesure, laquelle a utilisé l’impulsion initiale et l’écho de fond pour déterminer l’épaisseur de la pièce.

Étalonnage

Les mesureurs à ultrasons sont très précis lorsque les conditions qui engendrent des erreurs sont bien comprises et que quelques précautions simples sont prises. Si le mesureur a été étalonné adéquatement, il affichera une épaisseur de paroi exacte. Le processus d’étalonnage requiert l’utilisation de pièces d’une épaisseur connue. Habituellement, il est fait à partir de pièces présentant l’épaisseur maximale et minimale du matériau à mesurer. La vitesse de propagation des ondes sonores et le décalage du zéro (paramètre lié à la sonde) sont configurés à l’aide d’une simple commande sur le clavier, laquelle consiste à entrer l’épaisseur connue des pièces étalons pendant que la sonde est couplée au matériau. Le mesureur utilise l’épaisseur connue pour calculer la vitesse de propagation et le décalage du zéro correspondant au matériau et à la sonde, respectivement. L’appareil utilise la vitesse de propagation étalonnée pour calculer l’épaisseur de la pièce.

Avantages et contraintes

Pour effectuer les mesures d’épaisseur par ultrasons, il suffit d’avoir accès à un seul côté de la pièce. Il s’agit d’un des principaux avantages de cette technique, car elle permet de mesurer l’épaisseur des parois de réservoirs fermés, de grandes feuilles, et d’autres objets de formes complexes pour lesquels il est difficile, voire impossible, d’accéder aux deux côtés de la pièce. Les mesureurs sont généralement portables et faciles à utiliser. Une contrainte potentielle est que la précision de la mesure dépend la précision des vitesses connues de propagation des ondes sonores dans le matériau, et il peut y avoir des inexactitudes si la vitesse de propagation change de manière imprévisible. La vitesse de propagation peut être influencée par des modifications des propriétés dans le matériau, comme des variations significatives de la température ou de la densité. Dans la plupart des plastiques, la vitesse de propagation change de manière significative quand la température se modifie de plus de 5 °C. La manière la plus facile d’éviter les erreurs liées à la température consiste à effectuer l’étalonnage et les mesures à la température ambiante. Si cela n’est pas possible, l’étalonnage et la mesure doivent être effectués à une position constante connue dans le processus de fabrication. La plupart des sondes s’endommagent lorsqu’elles sont placées sur des surfaces dont la température excède environ 50 °C. Par conséquent, à moins d’utiliser des sondes spéciales, il n’est pas recommandé d’effectuer des inspections à température élevée. Les produits ayant une paroi très épaisse peuvent présenter de grandes variations de température entre les surfaces extérieure et intérieure. En effet, alors que la surface intérieure reste chaude, la surface extérieure refroidit. Ces différences de température peuvent causer des changements importants dans la vitesse de propagation des ondes sonores à travers la paroi, ce qui peut occasionner des imprécisions de mesure.

Théorie sur la mesure à effet Hall

L’autre méthode de mesure électronique utilise un phénomène connu sous le nom d’« effet Hall ». Cette technique consiste à appliquer un champ magnétique perpendiculairement à un conducteur transportant du courant. Cette combinaison crée une tension électrique dans une autre direction. Si une cible ferromagnétique est placée dans le champ magnétique, par exemple une bille d’acier de masse connue, la tension électrique induite change. Si la cible est éloignée de l’aimant, le champ magnétique et donc la tension électrique induite subséquente changent de manière prévisible. Si on enregistre ces changements de tension, il est possible de créer une courbe qui établit le rapport entre la tension induite et la distance entre la cible et la sonde (voir la figure 3).

Pour effectuer les mesures, la sonde à effet Hall est simplement placée d’un côté de la pièce, et la cible ferromagnétique, généralement une petite bille d’acier, est placée de l’autre côté. Le mesureur affiche la distance entre la cible et la sonde, ce qui correspond à l’épaisseur de la paroi.

Figure 3. Une bille est placée d’un côté de la pièce. La sonde est placée de l’autre côté de la pièce et attire la bille.

Étalonnage

On effectue l’étalonnage de l’appareil en plaçant des cales d’épaisseur connue sur la sonde ; ensuite, une bille est placée sur les cales et toutes les épaisseurs connues sont entrées dans l’appareil. L’information entrée dans l’appareil pendant l’étalonnage permet au mesureur de créer une table de référence qui trace une courbe des changements de tension. Le mesureur compare les valeurs mesurées avec celles inscrites dans la table de référence, puis affiche l’épaisseur sur un écran numérique. Ce procédé peut sembler compliqué, mais en réalité, les inspecteurs n’ont qu’à entrer les valeurs connues pendant l’étalonnage et à laisser au mesureur le soin de comparer et de calculer les mesures. Lorsque des mesureurs à effet Hall sont employés, il n’est pas nécessaire que l’utilisateur ait des connaissances sur la physique qui permet la mesure, car le processus d’étalonnage se fait automatiquement.

Avantages et contraintes

Les avantages de cette technique sont les suivants : aucun couplant n’est requis, la vitesse de propagation reste inchangée même si la température ou les propriétés du matériau changent, et il est possible de mesurer l’épaisseur de pièces très minces et dans les zones à faible rayon de courbure. De plus, il est souvent facile de déplacer la sonde sur la pièce pour en vérifier rapidement l’épaisseur à plusieurs endroits ou pour trouver l’épaisseur minimale d’une zone. La seule contrainte potentielle des applications de mesure de pièces moulées par soufflage est qu’il faut pouvoir placer une bille cible à l’intérieur de la pièce à mesurer. Les contenants fermés ne peuvent donc pas être mesurés à l’aide de cette technique. Ils peuvent toutefois être mesurés par ultrasons. Cette technique permet de mesurer des épaisseurs allant jusqu’à environ 10 mm. Elle peut mesurer des matériaux compressibles, mais comme la bille peut compresser le matériau, il faut utiliser une bille aussi petite que possible pour ces mesures. En milieu de production, l’inspecteur peut contrôler une pièce entière en quelques secondes, tout en enregistrant plusieurs mesures ou en recherchant l’épaisseur de paroi minimale. Ce type d’appareil est souvent placé en zone de production, où il est utilisé par les opérateurs d’équipements de moulage. Cette approche permet la réalisation de véritables contrôles statistiques du processus.

Choix d’une méthode de mesure d’épaisseur

Il n’y a pas de règle absolue en ce qui concerne le choix de la méthode de mesure. En général, si on souhaite mesurer de grandes pièces rigides à parois épaisses, la méthode privilégiée est l’inspection par ultrasons. Par contre, si on souhaite mesurer de petites pièces à parois minces (inférieures à 2,5 mm) et des coins exigus, il faut privilégier l’utilisation de mesureurs à effet Hall, comme le Magna-Mike™ 8600 d’Olympus. Pour la plupart des applications de moulage par soufflage, on favorise l’utilisation de mesureurs à effet Hall. La plupart des pièces fabriquées par soufflage présentent des formes complexes, des parois flexibles relativement minces et des coins difficiles à mesurer à l’aide de mesureurs mécaniques ou par ultrasons.

Pour effectuer des mesures par ultrasons, il est possible d’utiliser n’importe lequel des mesureurs d’épaisseur de précision d’Olympus. Pour les applications de mesure de bouteilles en plastique monocouche les plus courantes, nous recommandons l’utilisation de l’un de nos mesureurs d’épaisseur à ultrasons standards. Ceux-ci incluent le mesureur 38DL PLUS™ et le mesureur 45MG avec option logicielle pour sonde monoélément. Plusieurs configurations de vitesses de propagation et de sondes peuvent être stockées dans ces mesureurs, ce qui simplifie la mesure d’une variété de matériaux. Les sondes M166, M208 ou V260 sont recommandées pour la mesure de pièces à parois minces. Pour mesurer des pièces à parois épaisses, il est possible d’utiliser les mêmes mesureurs, mais équipés d’une sonde de contact à basse fréquence (M112, M110 ou M109). Pour mesurer l’épaisseur de pièces en plastique à température élevée (supérieure à 50 °C), utilisez une sonde à ligne à retard spécialement conçue pour ce type de mesure.

Pour les bouteilles minces d’une épaisseur inférieure à 0,1 mm et les contenants en plastique multicouches, nous recommandons l’utilisation du mesureur 72DL PLUS™. La mesure de l’épaisseur de bouteilles en plastique minces ou de plastiques multicouches nécessite l’utilisation d’une fréquence beaucoup plus élevée que celle offerte par les mesureurs d’épaisseur à ultrasons standards. Le mesureur 72DL PLUS peut utiliser des sondes ayant des fréquences allant jusqu’à 125 mégahertz et a la capacité d’afficher simultanément l’épaisseur de six couches.

Résumé

Il est possible d’étalonner rapidement ces différents types de mesureurs en seulement quelques étapes faciles. Une fois l’étalonnage effectué, ils produiront des résultats précis et reproductibles. Les utilisateurs constatent qu’avec ces méthodes, la technique de l’inspecteur a moins d’incidence sur le résultat qu’avec les méthodes de mesures mécaniques. Les données d’étalonnage sont stockées avec les résultats enregistrés, ce qui permet la vérification du travail de l’opérateur. Les mesureurs à ultrasons et mesureurs à effet Hall sont tous dotés de capacités d’enregistrement de données, éliminant ainsi la possibilité d’erreurs de transcription.

Olympus IMS

Produits utilisés pour cette application

Portable et facile à utiliser, le mesureur d’épaisseur à ultrasons 72DL PLUS™ peut fournir très rapidement des mesures d’épaisseur précises. Compatible avec les sondes monoéléments d’une fréquence allant jusqu’à 125 MHz, cet appareil novateur est parfaitement adapté à la mesure de l’épaisseur des matériaux ultrafins, notamment les peintures multicouches, les revêtements et le plastique. Le logiciel de mesure multicouche peut afficher simultanément l’épaisseur de six couches distinctes.

Le 45MG est un mesureur d’épaisseur à ultrasons de pointe équipé de série de multiples fonctions de mesure et d’options logicielles. Cet outil de mesure d’épaisseur unique est compatible avec notre gamme complète de sondes de mesure d’épaisseur monoéléments et à émission-réception séparées.
Polyvalent, le mesureur d’épaisseur 38DL PLUS peut être combiné à des sondes à émission-réception séparées pour la mesure de l’épaisseur de tuyaux corrodés, ou à une sonde monoélément pour la mesure très précise de l’épaisseur de matériaux minces ou multicouches.

Le Magna-Mike™ 8600 est un mesureur d’épaisseur à effet Hall qui utilise une sonde magnétique pour mesurer avec précision l’épaisseur des objets faits de matériaux non ferreux et minces, comme les bouteilles en plastique.

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