Que sont les MMT optiques ?
Les MMT (machines à mesurer tridimensionnelles) sont généralement volumineuses, statiques et fonctionnent par contact. Mais les MMT optiques, telles que les scanners 3D, changent la donne en permettant des mesures 3D rapides, sans contact et plus polyvalentes. Dans notre article, nous analysons les différences entre ces technologies, expliquons leur fonctionnement et explorons les toutes dernières solutions pour l’inspection.
Qu’est-ce qu’une MMT optique ?
Une machine de mesure optique Zeiss O-Detect analyse un composant médical. Avec l’aimable autorisation de Carl Zeiss AG
Le plus simple est probablement de commencer par définir une MMT traditionnelle. Les MMT sont en fait des machines qui mesurent avec précision à l’aide d’un palpeur. Construits autour d’axes linéaires XYZ, ces appareils enregistrent la position des caractéristiques géométriques dans un espace 3D. Cette technologie est particulièrement adaptée aux mesures 3D de haute précision et à la détection de détails de surface peu visibles.
Cependant, les MMT traditionnelles sont généralement assez volumineuses et coûteuses en termes d’exploitation. Lorsqu’elles sont utilisées avec des produits fragiles, les palpeurs peuvent même occasionner des dommages, ce qui limite leur application dans certains cas d’utilisation.
Les MMT optiques, en revanche, sont spécialement conçues pour les mesures 3D sans contact. Elles capturent la géométrie des objets grâce à des technologies telles que des caméras, des lasers et de la lumière structurée. Il existe de nombreux types de MMT optiques, mais toutes ont des applications métrologiques.
L’évolution de la technologie des MMT
Les premières MMT étaient actionnées manuellement et utilisaient des comparateurs à cadran et des palpeurs rigides. Ce n’est qu’avec l’introduction des capteurs analogiques et des axes servo-commandés dans les années 1960 que la commande par ordinateur et la mesure 3D sont devenues possibles. Depuis, les systèmes analogiques ont été remplacés par des codeurs numériques, améliorant encore la précision et la répétabilité.
Point clé
Les MMT traditionnelles fonctionnent par palpeur. De nombreuses MMT optiques offrent une alternative polyvalente sans contact.
Les CMM modernes offrent désormais un palpage multicapteurs (à déclenchement tactile, à balayage, optique et laser) et fonctionnent avec un logiciel de métrologie qui permet une automatisation plus poussée qu’auparavant. Les progrès récents ont également permis de diversifier les technologies à la disposition des ingénieurs. Les MMT optiques ont apporté davantage de rapidité et de polyvalence. Par ailleurs, l’intégration de l’IA, le cloud computing et le domaine plus large du diagnostic des jumeaux numériques permettent des workflows Industrie 4.0 intégrés.
Une MMT multicapteur, équipée de palpeurs à déclenchement tactile et d’un scanner laser sans contact. Avec l’aimable autorisation de Hexagon AB
Comment fonctionnent les MMT optiques ?
Selon le type de MMT, votre workflow sera légèrement différent. La plupart des MMT optiques de laboratoire nécessitent que les utilisateurs placent les pièces sur une plate-forme. Des technologies de capture telles que la lumière blanche, les caméras CCD/CMOS haute résolution et les capteurs à triangulation laser sont ensuite utilisées pour détecter les surfaces des objets sans besoin de contact physique. D’autres appareils portatifs sont également sans contact, mais permettent aux utilisateurs de se déplacer manuellement pour une plus grande flexibilité.
Une fois capturées, les données peuvent être analysées via une comparaison de modèles CAO, ou simplement en mesurant les distances et les angles entre les caractéristiques afin de veiller à ce que les résultats soient précis et conformes aux tolérances.
Carter moteur scanné en 3D en cours d’inspection dans ZEISS Inspect Optical 3D.
En général, les MMT optiques sont des machines statiques de grande taille. Mais de nombreux utilisateurs se tournent désormais vers un autre type de MMT : les scanners 3D. Ceux-ci offrent une maniabilité et une vitesse accrues, mais nous reviendrons bientôt sur les comparaisons technologiques. Pour l’instant, il convient de noter que les MMT optiques peuvent prendre de nombreuses formes, certaines privilégiant une précision maximale et d’autres étant conçues pour être polyvalentes.
Les MMT optiques s’appuient sur une (ou plusieurs) des technologies suivantes :
Capteurs de vision/caméra : Dans ces configurations, une caméra capture une pièce éclairée par un éclairage contrôlé. Des algorithmes de traitement d’image détectent ensuite des caractéristiques telles que les bords, les trous et les motifs. Le principal inconvénient est qu’ils ne mesurent qu’en 2D, sauf s’ils sont associés à une mise au point Z (variation de mise au point).
Un capteur de vision HP C en action. Avec l’aimable autorisation de Hexagon AB
Temps de vol/ déphasage : Les machines construites autour de ces technologies s’appuient également sur des lasers. Cependant, elles calculent la distance différemment : soit en mesurant le temps nécessaire au retour des lasers, soit en mesurant la différence de phase des lasers. Elles sont en général plus performantes à grande distance et moins précises à courte portée. Dans l’ensemble, elles permettent une mesure directe tout en restant sans contact.
Lumière blanche/chromatique : Cette approche s’articule autour de l’aberration chromatique, qui consiste à projeter différentes longueurs d’onde de lumière sur un objet à partir de distances variables. La lumière blanche est émise à travers une lentille chromatique, et chaque longueur d’onde mise au point est détectée par un spectromètre. Grâce à cette technologie, il est possible de calculer des hauteurs exactes et d’obtenir une résolution axiale élevée.
Triangulation laser : Cette méthode consiste principalement à former un triangle entre une source laser, la surface d’une pièce et un détecteur. Une fois que le laser est renvoyé par l’objet, la triangulation est utilisée pour calculer la distance entre l’émetteur et la surface. Cette méthode est idéale pour capturer des profils 3D et des objets à surface rugueuse.
Carrosserie de voiture inspectée à l’aide d'un capteur à triangulation laser. Avec l’aimable autorisation de Carl Zeiss AG
Lumière structurée : La projection de motifs tels que des rayures et des grilles sur une pièce et la mesure de leur déformation en fonction de la géométrie de la surface sont idéales pour numériser et analyser de grandes surfaces, ainsi que pour capturer des formes organiques. Cette technologie est souvent utilisée pour le scan 3D, mais elle trouve également d’autres applications.
Capteurs confocaux : Enfin, certaines machines utilisent l’optique confocale. Celle-ci concentre la lumière en un point minuscule et mesure l’intensité des faisceaux réfléchis afin d’identifier un plan focal spécifique. En pratique, cela signifie que seuls les reflets les plus nets sont capturés, et que la résolution atteint l’échelle nanométrique.
Différents types de MMT optiques
MMT tactiles – Idéales pour les cas d’inspection où la tolérance d’erreur est faible, ces machines s’appuient sur la mesure par palpeur. Cette catégorie comprend les MMT à pont, à levier et à portique.
MMT optiques hybrides – Celles-ci varient généralement en fonction de la technologie de vision utilisée, par exemple les systèmes de mesure vidéo, les MMT à microscopie confocale et les interféromètres à lumière blanche. Il convient également de noter que les MMT optiques hybrides combinent des approches tactiles et basées sur la vision, toutefois dans des machines statiques.
Un ingénieur de l’université du Wisconsin-Madison utilise un Zygo New View 9000, un interféromètre à lumière blanche et à déphasage. Avec l’aimable autorisation des Wisconsin Centers for Nanoscale Technology
Scanners 3D – Techniquement des MMT optiques, les scanners 3D s’appuient généralement sur la capture de données laser ou à lumière structurée. Les systèmes peuvent être fixés à un trépied ou à un bras robotisé, ou être manipulés par un ingénieur et déplacés autour d’un objet cible.
Les scanners Artec 3D comme MMT optiques
Artec Micro II
Les scanners Artec 3D offrent désormais des capacités de mesure 3D d’une telle précision que l’on peut les considérer comme des MMT optiques à part entière. Artec Micro II capture n’importe quel objet suffisamment petit pour tenir dans la main avec une précision allant jusqu’à 5 microns et une répétabilité de 2 microns. Mieux encore, grâce à son intégration avec le pilote automatique dans Artec Studio, les données capturées avec l’appareil peuvent être traitées automatiquement.
Dans le logiciel de capture et de traitement des données 3D, il est désormais possible de lancer le scan et la création de modèles 3D d’un simple clic. Une fois activé, le Micro II fait tourner les objets sur leurs axes, et les capture au fur et à mesure. Les données maillées peuvent ensuite être déposées dans un dossier désigné, puis transférées automatiquement pour être analysées dans un workflow d’inspection de bout en bout.
Kit de métrologie d’Artec
Si vous recherchez une solution métrologique dédiée, découvrez le Kit de métrologie. Ce système de mesure optique 3D complet offre une précision incroyable de 2 microns pour la rétro-ingénierie, l’inspection et la mesure 3D avec une précision extrême.
Parmi les applications possibles, on trouve l’analyse de la déformation dans les constructions de grande taille telles que les aubes de turbine, le contrôle qualité automobile et la R&D à grande échelle. Fonctionnant avec sic degrés de latitude et certifié DAkkS, le Kit de métrologie est une solution hautement fiable pour les cas d'utilisation où la précision est primordiale.
Artec Point
Dans le domaine des MMT portables, le premier scanner laser d’Artec, Artec Point, offre une grande stabilité de suivi, tout en étant suffisamment agile et précis pour être considéré comme un outil de métrologie sérieux. Testé selon les normes VDI/VDE dans des conditions de laboratoire certifiées ISO, cet appareil répond à toutes les exigences requises pour une solution industrielle de capture de données.
Capable de mesurer des objets de différentes formes et tailles avec une précision et une résolution allant jusqu’à 20 microns, Artec Point est équipé de caméras HD et d’un design « incliné » innovant. Il peut ainsi capturer des géométries difficiles à saisir et examiner des zones telles que des trous profonds. Grâce à trois modes de scan adaptés à différents types de surfaces, les utilisateurs peuvent choisir entre une grille pour les objets de grande taille, des lasers parallèles pour les surfaces complexes ou un laser unique pour examiner les trous et les crevasses.
Pièce automobile scannée en 3D avec Artec Point.
Contrairement aux autres scanners Artec 3D, Artec Point nécessite des cibles. Mais les fabricants industriels à la recherche d’appareils portables de qualité métrologique voient beaucoup d’intérêt dans les solutions offrant une grande précision et une grande portabilité, et Point répond à de nombreux critères à cet égard.
Artec Leo
En matière de mesure 3D sans fil, aucun produit sur le marché ne rivalise avec Artec Leo. Si le Point est polyvalent, le Leo offre une liberté de capture pratiquement illimitée. Ce MMT portable tout-en-un est entièrement sans fil, capture jusqu’à 35 millions de points par seconde et est équipé d’un écran intégré qui permet aux utilisateurs de s’assurer d’une capture complète. Sa précision de 0,1 mm peut être un inconvénient pour des cas d'utilisation exigeants, mais elle reste suffisante pour la plupart des autres applications.
Par exemple, dans des applications telles que la réparation de pipelines de pétrole et de gaz, Leo permet aux utilisateurs de scanner en toute transparence des zones chaudes et difficiles d’accès avec une précision suffisante pour personnaliser les colliers de réparation. Lorsqu’une plus grande portée est nécessaire, Ray II peut également être utilisé pour capturer des installations ou des infrastructures, tandis que Leo se charge des machines et des détails fins à l’intérieur, là où ils comptent vraiment.
Tuyauterie d’une raffinerie de pétrole en cours de capture avec Artec Leo. Avec l’aimable autorisation de Team, Inc.
Point clé
Avec une fonctionnalité sans fil complète, un écran intégré et un fonctionnement sans cible, Artec Leo est une MMT portable unique en son genre.
Artec Ray II
Le LiDAR n'est pas souvent considéré comme une solution de métrologie, mais les scanners tels que l’Artec Ray II permettent d’effectuer des inspections à plus grande échelle. De nombreuses MMT traditionnelles sont limitées par la taille des objets. Mais le Ray II peut être transporté sur site et installé pour scanner des bâtiments et des infrastructures entiers à une distance de 130 mètres avec une grande précision. Cela le rend idéal pour surveiller des ponts ou créer des jumeaux numériques d’usines.
Grâce à sa grande portée, Ray II peut également accéder à des applications qui dépassent le cadre des MMT classiques, que ce soit pour capturer des scènes de crime, de longues voies ferrées ou des sites patrimoniaux entiers.
Point clé
Les scanners 3D sont disponibles dans toutes les formes et toutes les tailles. Vous pouvez donc choisir une solution de métrologie qui répond exactement aux besoins de votre secteur.
Principales caractéristiques
Exactitude et précision : Les MMT optiques ne permettent peut-être pas d’atteindre le niveau d’exactitude maximal des alternatives tactiles. Mais elles peuvent capturer avec une précision inférieure au millimètre (et atteignent parfois même quelques microns), ce qui est largement suffisant pour la plupart des applications de mesure 3D.
En métrologie, une précision élevée signifie en fait être capable de mesurer avec une grande répétabilité. La précision est donc essentielle pour obtenir des résultats fiables dans le domaine de la fabrication, où les écarts peuvent entraîner des défaillances des produits. Les MMT optiques comme Micro II offrent une répétabilité exceptionnelle, ce qui permet aux utilisateurs de mesurer tout en respectant des spécifications et des normes strictes.
Le scanner 3D Micro II, compact et d’une précision de 0,005 mm, constitue une excellente alternative aux MMT optiques traditionnelles pour l’inspection de petites pièces.
Vitesse de capture : Par rapport aux mesures par palpeur, les MMT optiques sont souvent beaucoup plus rapides. L’Artec Leo à lumière structurée, par exemple, capture de petits objets en quelques minutes. Bien sûr, cela dépend de la technologie que vous adoptez. Mais en général, les MMT sans contact (qu’elles soient laser ou optiques) fournissent des résultats plus rapidement que la collecte de données tactiles traditionnelle.
Polyvalence : Habituellement, les MMT sont fixées à un emplacement précis afin d’éviter que les vibrations externes n’interfèrent avec les mesures, ce qui les limite à la capture de données sur place. En revanche, les MMT portables peuvent être montées sur des bras robotiques ou déployées de manière indépendante. En théorie, cette dernière option offre des possibilités illimitées : les fabricants peuvent analyser la qualité des produits quand et où ils le souhaitent.
Traitement des données : Les MMT montées sur palpeur transforment les points capturés en systèmes de coordonnées, qui peuvent à leur tour être utilisés pour reconstruire des caractéristiques. À l’inverse, les MMT optiques telles que les scanners 3D transforment les nuages de points en maillages. Les logiciels MMT dédiés sont souvent mieux équipés pour le GD&T, mais des programmes tels que Geomagic Control X et Zeiss Inspect Optical 3D permettent au scan 3D de rattraper rapidement son retard.
Intégration : les CMM optiques portables sont moins contraignantes que les CMM traditionnelles, ce qui permet à la fois l’intégration matérielle avec des bras robotiques et l’utilisation de logiciels d’analyse tiers.
Point clé
Les données de scan 3D capturées peuvent être analysées dans des logiciels connus tels que Geomagic Control X, Zeiss Inspect Optical 3D et PolyWorks.
Applications
Fabrication et contrôle qualité
Les MMT optiques peuvent être intégrées directement dans le workflow de production, pour la mesure de pièces par lots, ou utilisées en ligne pour des contrôles entre deux cycles. Cette technologie est également idéale pour s’assurer que les pièces provenant d’autres sources répondent aux normes requises. Ausco Products en est un excellent exemple : le fabricant de freins pour véhicules tout-terrain inspecte les pièces moulées sous-traitées à l’aide du scan 3D d’Artec. Outre les contrôles de tolérance, cette technologie permet à l’entreprise de vérifier si les freins s’adaptent à des espaces restreints tels que les passages de roues, ce qui permet une personnalisation plus rapide des produits.
Inspection d’un moulage de piston grâce à la cartographie de distance dans Artec Studio. Avec l’aimable autorisation d’Ausco Products Inc.
Dans l’ensemble, les MMT optiques ont des applications dans l’ensemble du workflow de fabrication, de l’inspection du premier article à l’analyse en cours de fabrication, en passant par le contrôle qualité et la rétro-ingénierie pour l’itération de la conception.
Aérospatiale
Dans l’industrie aérospatiale, les MMT optiques sont essentielles pour garantir la précision, la sécurité et la conformité à des normes strictes. Cela peut concerner la fabrication, par exemple les mesures lors de la production de moteurs à turbine, l’assemblage du fuselage ou la maintenance, la réparation et la révision des avions. Pourtant, malgré la nature exigeante de l’industrie, les critères de précision ne sont pas aussi élevés qu’on pourrait le penser
Une capture de données avec une précision inférieure au millimètre est souvent suffisante pour inspecter les composants aérospatiaux, en particulier s’ils ne sont pas essentiels au vol. Le partenaire certifié Gold d’Artec 3DMakerWorld l’a démontré en effectuant la rétro-ingénierie du petit avion Sadler Vampire avec Artec Leo. Ils ont ainsi aidé un client à pérenniser son précieux avion en créant une bibliothèque numérique de pièces de rechange.
Automobile
Tout comme dans l’aérospatiale, les applications des MMT optiques dans l’automobile peuvent être très variées. Un équipementier peut inspecter des structures soudées avant la peinture, un autre peut utiliser cette technologie pour mesurer les garnitures intérieures, et d’autres encore peuvent vérifier la conformité des pièces du groupe motopropulseur ou des suspensions.
Ces cas d’utilisation ne se limitent pas à la fabrication de véhicules, ils peuvent facilement concerner la modification, qu’il s’agisse de l’ajout d’ailerons, de prises d’air ou d’améliorations visant à optimiser les performances. Aux États-Unis, BD Engineering a poussé ce principe à l’extrême en créant des modifications personnalisées pour la Toyota Supra, grâce à un niveau impressionnant de savoir-faire et à Artec Leo.
Rétro-ingénierie de la Toyota Supra par BD Engineering et modifications prévues. Avec l’aimable autorisation de BD Engineering
Fabrication de dispositifs médicaux
Dans le domaine de la fabrication de dispositifs médicaux, les MMT optiques sont souvent utilisées pour mesurer la rugosité de surface et l’ostéointégration des implants du genou, de la hanche et de la colonne vertébrale. Les instruments chirurgicaux courants tels que les scalpels, les pinces et les cathéters sont également contrôlés à des fins d’assurance qualité.
La pénurie d’équipements médicaux de haute qualité est devenue un problème majeur au début de la pandémie de COVID-19. Pour pallier ce problème, des technologies 3D ont été déployées dans le monde entier sous forme de MMT portables à la demande et d’outils de fabrication rapide. À l'Assistance Publique – Hôpitaux de Paris, l’Artec Space Spider a été utilisé pour inspecter les fournitures médicales d’urgence notamment les tubes et les masques de protection, qui ont permis d’assurer la sécurité des soignants dans ces moments difficiles.
Point clé
Les MMT optiques ne servent pas uniquement à l’inspection, elles offrent également des possibilités de numérisation et de personnalisation des produits.
Recherche et développement
Les MMT optiques sont principalement utilisées dans la R&D de produits pour vérifier la précision dimensionnelle des conceptions à un stade précoce. Il est rapide et facile de scanner en 3D et de comparer les prototypes aux données CAO. De plus, cette technique est sans contact, ce qui en fait une forme d’essai non destructif. D’autres aspects méritent également d’être pris en compte, notamment la validation de la conception, les tolérances et, beaucoup plus tôt dans le processus, la visualisation.
Outre l’inspection des produits, la célèbre marque de chaussures ASICS utilise le scan 3D et la photogrammétrie Artec pour créer des supports marketing très réalistes et attrayants. Les modèles de chaussures de running capturées avec une fidélité incroyable permettent non seulement au fabricant de contrôler la qualité, mais aussi de communiquer le message derrière ses produits et de renforcer leur attractivité auprès des clients.
Modèle 3D ultra-réaliste d'une chaussure de running réalisé à l'aide des outils de scan 3D et de photogrammétrie d’Artec. Avec l’aimable autorisation d’ASICS Corporation
Débuter avec les MMT optiques
Alors, que faut-il rechercher dans une MMT optique ? Comme indiqué précédemment, la plupart des systèmes fonctionnent à l’aide d’une technologie de capture optique. Il peut s’agir d’une lumière structurée, d’un laser ou d’un ensemble de capteurs de caméra. Ils nécessitent également une unité de contrôle ou un logiciel dédié pour le traitement des données, ainsi que (éventuellement) des outils d’étalonnage, tels que des cibles de référence.
Pour choisir la MMT optique adaptée à votre cas d’utilisation spécifique, plusieurs éléments doivent être pris en compte. La taille de l’objet, par exemple, peut jouer un rôle essentiel. Si votre pièce est volumineuse, une MMT statique n’aura ni la capacité de la supporter, ni la vitesse nécessaire pour la mesurer rapidement. La précision et la résolution sont également des critères importants à prendre en compte dès le départ.
Si vous travaillez avec des tolérances inférieures au millimètre, vous aurez besoin d’un système capable de répondre à ces exigences. Dans certains cas, même votre lieu de travail peut être un facteur déterminant (si vous travaillez dans un endroit bruyant ou sujet aux vibrations). Enfin, la géométrie est un facteur essentiel qui doit être au centre de votre décision : certaines technologies sont plus efficaces que d’autres pour capturer les formes libres et les trous !
Nous espérons que ces éléments vous donneront une idée de ce que vous devez rechercher dans une MMT optique. Vous pouvez en savoir plus sur le scan 3D pour la métrologie et les scanners Artec 3D en tant qu’outils de capture de données métrologiques via notre centre d’apprentissage. Pour des conseils personnalisés, veuillez contacter sales@artec3d.com.
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À la recherche d’un nouveau scanner 3D professionnel ? Nous savons à quel point il peut être difficile de trouver la bonne solution. C’est pourquoi nous avons créé une checklist de tous les éléments à prendre en compte, des caractéristiques techniques aux aspects pratiques, pour vous aider à identifier un produit qui réponde exactement à vos besoins.
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Les MMT traditionnelles ont parfois du mal à mesurer rapidement et de manière non invasive les objets, en particulier lorsqu’ils comportent des trous ou des surfaces fragiles. Heureusement, les progrès réalisés dans le domaine du scan 3D permettent aujourd’hui de surmonter ces difficultés. C’est pourquoi cette technologie rivalise de plus en plus avec les systèmes de MMT pour répondre à diverses applications d’inspection de pièces.
Dans le domaine de la fabrication, on entend souvent l’expression contrôle non destructif ou « CND ». Mais que cela signifie-t-il exactement ? CND est un terme générique qui décrit tout processus de mesure ou d’évaluation des propriétés d’un produit sans avoir à l’endommager. Dans cet article, nous passerons en revue les workflows, applications et technologies potentiels pour obtenir les meilleurs résultats de CND.
Les logiciels de conception assistée par ordinateur (CAO) sont utilisés par les concepteurs et les ingénieurs dans différents secteurs et pour toute une série de processus. Ce sont des piliers dans les flux de travaux des professionnels de la conception, de la simulation, de la fabrication et bien d’autres encore. Les logiciels de CAO sont utiles non seulement pour fournir des représentations visuelles de concepts ou d’ébauches de conception mais également pour la documentation, sans laquelle vous ne pourriez pas, par exemple, déposer des demandes de brevet, protéger juridiquement vos designs ni vérifier leur conformité.
