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TOGUEM TAGNE S-C., VISSIÈRE A., DAMAK M., MEHDI-SOUZANI C., ANWER N. and NOUIRA H., “A Cylindricity Measurement with Nanometric Uncertainty”, Proceedings of the 9th International Conference of Asian Society for Precision Engineering and Nanotechnology (ASPEN2022), Singapour, 15-18 novembre 2022.

Le sujet de thèse repose sur l'étude et le développement d'un système de vision tridimensionnelle couplé à un système de déplacement pour la mesure sans contact de pièces mécaniques de manière exacte, dense et rapide. Contrairement aux machines de mesures 3D à base de palpeurs, les systèmes de vision 3D permettent de fournir une mesure plus dense en un temps faible. Toutes ces opérations de mesure 3D, initialement réalisées sur des pièces simples, ont été étendues récemment à des surfaces complexes pour répondre aux nouveaux besoins industriels en matière d'automatisation de la mesure en ligne, comme spécifié dans l'industrie du futur (ou Industrie 4.0). Dans le cadre du projet LaVA (Applications pour la métrologie des grands volumes), la problématique principale repose sur la mise en œuvre d'un système de mesure multi-caméras (de photogrammétrie/lumière structurée) directement traçable à la définition SI du mètre. La combinaison du système de cameras-projecteur avec un robot industriel constitue le système de mesure complet destiné à des opérations de scanning 3D en ligne sur des pièces mécaniques de grands volumes et de formes complexes. Le système de vision 3D basé sur le principe de la lumière structurée a été développé et étalonné en interne. L'étalonnage des systèmes de vision par ordinateur est une étape cruciale avant la mesure, elle permet d'obtenir les informations nécessaires à la triangulation. Par conséquent, les techniques d'étalonnage ont été étudiées et une nouvelle méthode d'optimisation permettant d'améliorer l'exactitude de l'étalonnage a été proposée dans le cadre de la thèse. Afin d'assurer la traçabilité, l'étalonnage du système de vision 3D est réalisé avec un étalon matériel mesuré avec une machine traçable et permettant de relier notre système à une chaine de traçabilité. Enfin, une pièce grand volume et de forme complexe - similaires à celle utilisés dans l'aéronautique - a été développée, mesurée sur des machines traçables Zeiss UPMC Carat. Cette pièce a été proposée pour évaluer les performances du scanner 3D. Une stratégie de scan a également été proposée pour couvrir toute la surface de la pièce. Cela implique de numériser plusieurs zones de la pièce individuellement et de fusionner les mesures dans un même référentiel à l'aide de techniques d’alignement. Des algorithmes de traitement et de fusion de données 3D ont été implémentés pour obtenir des résultats de mesure fiables et précis. Le résultat de mesure pour la pièce grand volume montre une erreur de recalage maximale de 150 µm.

photogrammétrie, mesure 3D, programmation, traitement d’images, C++ / Matlab, métrologie, impression 3D, métrologie virtuelle

La cylindricité est une spécification géométrique décrivant la forme tridimensionnelle d'un élément cylindrique. Son contrôle à l'aide de machines commerciales soulève nombre de problèmes pratiques qui limitent les capacités de mesure actuelles. En effet il n'existe actuellement aucun instrument de mesure capable de générer une cartographie tridimensionnelle de l'écart de cylindricité avec une incertitude nanométrique. Le Laboratoire Commun de Métrologie LNE-CNAM a récemment développé une machine de mesure de cylindricité de très haute exactitude nommée NanoCyl. En tant qu'étalon primaire, la NanoCyl vise à améliorer les capacités actuelles d'étalonnage et de mesure de cylindricité. Dans cette thèse, une description générale de la NanoCyl est fournie. Sa conception est ensuite complétée par le développement d'une nouvelle structure porte capteurs comprenant un axe de positionnement linéaire de résolution nanométrique servant à l'accostage de la surface cible. Une analyse mathématique et géométrique des sources d'incertitude conduit à la proposition de stratégies de réglages permettant de minimiser les erreurs de mesure Une méthode de séparation d'erreurs basée sur la transformée de Fourier est développée dans le cas spécifique des machines commerciales. La méthode est ensuite adaptée à l'architecture de la NanoCyl et validée expérimentalement. Un protocole de mesure optimal de cylindricité pour des applications nécessitant des incertitudes de mesure nanométrique est ensuite décrit. Il permet l'identification de l'ensemble des composantes de l'écart de cylindricité. Des études expérimentales permettant la validation du protocole introduit sont conduites sur un artefact cylindrique afin de valider le protocole introduit. Les résultats obtenus montrent une incertitude de mesure atteignable de l'ordre de 30 nm.

ingénierie de précision, mesure dimensionnelle, méthodes de séparation de défauts, cylindricité, instrument de mesure, analyse mathématique

Ce document détaille le développement d’un système de thermométrie acoustique. Il permettrait d’estimer la température moyenne T le long d’un chemin de mesure de distance d par voie optique afin de mieux déterminer l’indice de réfraction de l’air. Le principe de fonctionnement est la mesure de la vitesse acoustique v via une mesure de temps de vol τ =d/v d’une onde ultrasonore (40 kHz). L’extraction de T à partir de la vitesse sonore se fait à l’aide de l’équation de Cramer reliant la vitesse v aux paramètres atmosphériques (température, pression, humidité et concentration de gaz carbonique). Les performances de différentes méthodes d’estimation de τ sur six types de signaux (monofréquence ou modulé, enveloppes rectangulaire, Gaussienne ou Blackman) notamment l’intercorrélation ont été évaluées et une procédure d’étalonnage par rapport à des thermomètres de référence disposés le long du trajet a été développée. L’incertitude atteinte pour des mesures de température est de 90 mK sur 10 m.

thermométrie acoustique, intercorrélation, ultrasons, indice de réfraction, mesure optique de grande distance

Consultez la thèse (FR) : https://theses.hal.science/tel-03997959v1/document

PRANIEWICZ M., FOURNET-FAYARD L., FOX J. C., CAYRON C., KOUTIRI I. and OBATON A.-F., “Bearing area curve based partitioning for the verification of theoretical supplemental geometry on additively manufactured lattice structures”, Additive Manufacturing, 2023, 68, 9, 103521, DOI: 10.1016/j.addma.2023.103521.

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En Europe, des exigences réglementaires en matière d’étiquetage des produits alimentaires, cosmétiques ou biocides imposent aujourd’hui aux utilisateurs d’additifs de savoir si la substance qu’ils utilisent doit être considérée comme un nanomatériau (NM) ou pas. Une métrologie fiable permettant l’identification et la caractérisation des nano-objets est donc nécessaire. Cette caractérisation métrologique des NM reste un défi compte-tenu du nombre de paramètres à prendre en compte pour les décrire complètement (taille, distribution en taille, état d’agglomération/agrégation, forme, surface spécifique, composition chimique, chimie de surface et charge en surface), énumérés dans la norme ISO/TC 229 (PDTR 13014). Le sujet de thèse est la caractérisation des NM et plus particulièrement la caractérisation dimensionnelle à l’échelle nanométrique. L’étude concerne essentiellement les (nano)objets de dioxyde de titane (TiO₂) qui sont classées parmi les cinq substances sous forme de nanoparticules les plus produites (en volume) dans le monde et utilisées dans de nombreuses applications .L’objectif est d’évaluer et de comparer les mesurandes de plusieurs techniques de caractérisation dimensionnelle de nanoparticules pour accéder à la taille des particules constitutives. Ainsi, des techniques d’ensemble et intégrales comme le SAXS (diffusion des rayons-X aux petits angles), la DLS (diffusion dynamique de la lumière) et la BET (Brunauer–Emmett–Teller) ont été comparées à la technique de mesure directe par MEB (microscopie électronique à balayage). L'étude porte sur l'évaluation de l'influence de plusieurs facteurs, à savoir, la taille, la forme ainsi que la cristallinité des particules et la matrice complexe (ensemble d’éléments en coexistence avec les particules d’intérêt), sur les mesures réalisées. Le choix d’une large famille de composés (de références, de synthèse, matière première ou produits finis) permet d’identifier les difficultés de caractérisation des NM en fonction de leur provenance. Après une revue de l’état de l’art pour positionner le sujet dans son contexte, une première partie est consacrée à l’élaboration d’un protocole de préparation d’échantillon pour le MEB. L’objectif est de faciliter l’étape de traitement d’images dans le but de répondre à la réglementation et caractériser les particules isolées et/ou constitutives des agglomérats. Par le contrôle de la taille des agglomérats par DLS, l’impact de l’étape de sonication sur la dispersion et la dissociation des (nano)objets agglomérés présents en suspension a été mis en évidence.Dans une deuxième partie, une approche multi-technique est mise en œuvre pour comparer deux mesurandes issues de différents instruments (un diamètre équivalent à une surface projetée pour le MEB et une surface spécifique pour le SAXS et la BET), afin d’accéder aux dimensions des (nano)-objets étudiées. L'influence de différents paramètres tels que la distribution en taille (ou polydispersité) la pureté des échantillons (et donc l’étape d’extraction des NM de leur matrice), l'interaction entre les particules et l’anisotropie des particules sont discutées. Ces dernières ont un impact important sur les mesures de surface spécifique, ou des diamètres équivalents issus du SAXS. Les résultats obtenus illustrent les difficultés de la caractérisation des nano-objets mais confirment que les techniques utilisées dans cette étude (le MEB, le SAXS et la BET) sont complémentaires.

nanoparticule, milieu complexe, technique de caractérisation, métrologie, produit industriels, mesure longueur, microscopie électronique à balayage, rayons X, diffusion centrale

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Afin de bénéficier des propriétés uniques des nanomatériaux liés à leur taille mais aussi d'évaluer leurs risques potentiels associés, les acteurs du secteur industriel ont besoin de s’appuyer sur des méthodes de mesure fiables, robustes et permettant d’obtenir l’ensemble des informations dimensionnelles requises. Cependant, il n’existe pas d’instrument capable de mesurer une nanoparticule dans les trois dimensions de l’espace avec une incertitude contrôlée. L’objectif de ces travaux est de combiner les mesures de diamètre par microscopie électronique à balayage (MEB) avec celles de hauteur par microscopie à force atomique (AFM). L’utilisation de particules de silice, supposée sphériques permet de valider cette approche hybride combinant AFM et MEB.Le bilan d’incertitudes associé à la mesure de nanoparticules par MEB a d’abord été établi. Nous avons mis en évidence que la principale contribution au bilan d’incertitudes est la taille du faisceau électronique, difficilement mesurable. Deux méthodes, fondées sur la modélisation Monte Carlo, ont été mises en place pour évaluer l’influence de ce paramètre sur la mesure MEB. La première est fondée sur la comparaison entre les signaux expérimentaux et simulés. La seconde repose sur la segmentation des images MEB en utilisant un point remarquable, non influencé par les dimensions du faisceau électronique. Ces deux méthodes ont permis de montrer que l’erreur liée à la taille du faisceau était largement surestimée en utilisant les outils de segmentation d’images classiques. À partir de ces résultats, une comparaison directe des mesures AFM et MEB a été réalisée sur les mêmes particules. Un écart systématique est observé entre les deux techniques pour les plus petites particules lié à leur non-sphéricité. L’utilisation d’une troisième technique, la microscopie électronique en transmission (MET) permet de confirmer ces observations. Enfin, l’approche de métrologie hybride a été mise en œuvre pour la mesure des trois dimensions caractéristiques de nanoparticules de formes complexes dont la morphologie était éloignée de celle de la sphère.

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