Rendre l’usure visible

Les moteurs thermiques devront à l’avenir être plus légers, moins gourmands en énergie et plus respectueux de l’environnement, tout en étant plus performants sur la route. Un moyen d'atteindre cet objectif ambitieux est d'améliorer le rendement global, en jouant notamment sur les pertes par frottement. En effet, surmonter le frottement nécessite de la force, tandis que le frottement génère de la chaleur, dont l’énergie n’est alors plus disponible pour le déplacement. Le frottement génère également un bruit indésirable qui ne peut plus être masqué par un moteur électrique. Enfin, le frottement entraîne une usure des pièces mobiles du moteur. C’est pour ces raisons que Volkswagen utilise un procédé optique en 3D pour déterminer les points où les pièces frottent l’une contre l’autre et avec quelle intensité.

Montrer ce qui se passe sur les surfaces

Il s'agit pour l’essentiel de tests « avant-après » que le technicien de mesure Stefan Rubach est chargé d’effectuer pour le département Développement des moteurs. « Ce qui nous intéresse, c’est de savoir à quoi ressemble une pièce lorsqu’elle est neuve et quelle allure elle a après avoir été soumise à des essais », explique cet ingénieur. L'usure des surfaces est plus visible sur des textures plus rugueuses, ou même plus lisses. « Des entailles peuvent aussi se former et altérer durablement la surface », explique Stefan. Pour détecter proprement de telles altérations dans le cadre de projets de R&D continus, on utilise les technologies de mesure de surface optiques en 3D. Les spécialistes en métrologie de Volkswagen utilisent pour cela un appareil NanoFocus, qui fait désormais partie de la gamme de produits Mahr sous le nom de MarSurf CM explorer. Mahr et NanoFocus collaborent depuis avril 2018 dans ce domaine. Le MarSurf CM explorer permet d'effectuer des contrôles optiques, et donc sans contact, des surfaces, puis de les analyser. Le résultat est une image en hauteur en trois dimensions. Creux et bosses, gonflements et abaissements peuvent ainsi être clairement détectés, même si ces défauts sont répartis de manière aléatoire. Une analyse en 3D est d'autant plus importante que les surfaces contrôlées présentent un revêtement ou qu’elles sont munies de rainures réalisées selon un modèle précis, servant par exemple à créer un volume de retenue d’huile sur la trajectoire du cylindre.

Un diaphragme perforé qui filtre la lumière parasite

Caractérisé par sa flexibilité, le MarSurf CM explorer de Mahr est précisément utilisé pour le contrôle des surfaces chez Volkswagen. Il s’agit d’examiner une surface de manière très détaillée, et pas seulement à l’aide d’une coupe de profil, comme pour les mesures tactiles.

Le procédé de mesure optique du CM explorer fait appel à la technologie de la microscopie confocale. Particularité : à l’aide d'un diaphragme perforé (le Multi Pinhole Disc), cet appareil filtre la lumière parasite réfléchie par la surface de l’objet. Ainsi, seuls les points de surface sur lesquels la mise au point est effectuée sont représentés sur la puce CCD de la caméra. Les points qui ne sont pas nets ne sont pas pris en compte. Cette première étape consiste donc à créer une image de la surface nette et riche en contrastes sur un plan horizontal clairement esquissé.

Afin que cela devienne une reconstruction en 3D de la surface (un relief), l'appareil de mesure modifie automatiquement la focalisation au sein de la mesure et génère ainsi une série d’images sur différents niveaux de netteté avec les courbes de niveau correspondantes.

Cette superposition donne une image en 3D avec une résolution qui permet de visualiser la texture au nanomètre près. Cet empilement comporte en moyenne entre 200 et 400 images, qui sont créées en quelques secondes et converties par le logiciel de mesure en une image de hauteur tridimensionnelle. « Nous ne créons pas des images, mais des reliefs », souligne Stefan Rubach.

Résolution élevée même sur de grandes surfaces

Avec le MarSurf CM explorer, le laboratoire de contrôle interne du département Développement des moteurs de Volkswagen est littéralement à la recherche de traces. Avec son grossissement x20, l’objectif standard couvre une zone de 0,8 x 0,8 mm. Pour des surfaces plus importantes, le CM explorer dispose d'une fonction Stitching, qui permet d’associer des images isolées pour former une image globale, un peu comme une prise de vues panoramiques. Il est alors possible d'analyser de grandes surfaces avec une résolution maximale. Cette solution de Mahr fait ainsi honneur à sa désignation : explorer. « Pour de nombreuses mesures, ni le développeur, ni nous ne savons ce qui nous attend », affirme Stefan en évoquant la suite.

Dans le domaine des techniques confocales, afin de pouvoir comparer les résultats de mesure, la répétabilité est indispensable. Cela vaut surtout lorsque plusieurs techniciens effectuent des mesures régulièrement. Stefan Rubach en est convaincu, « la métrologie est une histoire de confiance. De confiance envers les techniques et envers ceux qui s’en servent. » La simplicité d'utilisation du matériel et des logiciels est donc pour lui indispensable pour éviter des erreurs. Les pièces qui ne sont pas suffisamment nettoyées avant le contrôle et présentent des impuretés ou des poussières faussent également les résultats. C’est pourquoi le matériel du MarSurfCM explorer est particulièrement robuste.

Plus de réalité dans le développement

Les mesures de topographie peuvent être exportées au format PDF comme rapport de contrôle pour des analyses ultérieures. Toutefois, pour intégrer les résultats dans leurs simulations, les développeurs de Volkswagen utilisent les données brutes des mesures de surface. Ces données non filtrées permettent de réaliser des pronostics sur les fonctionnements et les comportements lors d'une simulation. Stephan Ruback et ses collègues peuvent donc travailler très près de la réalité. « Autrefois, il fallait créer des modèles de calcul, alors qu’aujourd'hui nous disposons pour les simulations de surfaces et de comportements réels ». Et de conclure : « Le développement est désormais nettement plus proche de la réalité. »

Text: Thorsten Höring, chef de produit chez Mahr, et Jörg Meyer, Global Key Account Manager chez Mahr.

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