Qu’est-ce qu’une machine à mesurer tridimensionnelle (MMT) ?

5 avr. 2021
Format long
9731
Résumé 

Depuis des décennies, les entreprises ayant besoin de mesures hautement précises se tournent souvent vers les MMT. Mais une autre solution a récemment fait son entrée sur scène — une solution offrant une multitude d’avantages incontestables par rapport aux MMT, y compris une facilité de transport quelle que soit la destination, une simplicité d’emploi, une sûreté pour les surfaces et l’absence de contacts nécessaires, des mesures 10X-50X plus rapides, et bien plus.

ATOUTS DES MMT
précision élevée, fiabilité, durabilité
INCONVÉNIENTS DES MMT
coûts, lenteur, longue courbe d’apprentissage
ALTERNATIVE : LES SCANNERS 3D
abordables, rapides, faciles à utiliser, sans contact

Introduction

Depuis des millénaires, les mesures linéaires exactes sont un des fondements de notre société. Le tout premier instrument de métrologie n’a été nul autre que le corps humain, qui permettait de mesurer avec la largeur d’un doigt, un pied, ou une coudée (distance entre le coude et l’extrémité du majeur). Beaucoup de progrès ont été réalisés depuis.

Nous avons fini par inventer des règles, des pieds à coulisse et des mètres rubans. Ces outils existent aujourd’hui encore et occupent une place bien méritée dans l’outillage de métrologie. Toutefois, à la fin des années 1950 et au début des années 1960, les premières machines à mesurer tridimensionnelles (MMT) à trois axes sont apparues sur le marché. Elles ont été suivies, au début des années 1980, de MMT portables dotées de bras de mesure.

Chaque année, la technologie s’améliore, faisant des MMT modernes le favori traditionnel de milliers d’utilisateurs à travers le monde en matière de contrôle qualité.

Au-delà du contrôle qualité, les machines à mesurer tridimensionnelles, qu’elles soient contrôlées ou programmées, sont également utilisées dans les domaines de la rétro-ingénierie, du prototypage rapide, et autres.

Comment les machines MMT fonctionnent-elles ?

Mesure par MMT d’une vis en acier durci

SImaginez que vous déplaciez votre doigt sur un objet, par exemple une carte en relief. Vous glissez votre doigt autour d’une chaîne de montagnes, au fond d’une vallée profonde, puis le faites remonter jusqu’au sommet le plus élevé. La longitude (X), la latitude (Y) et l’altitude (Z) de l’extrémité de votre doigt changent au fur et à mesure que vous le déplacez.

L’ESSENTIEL

Un palpeur enregistre des points sur les surfaces de la pièce ou de l’objet en train d’être mesuré.

Une machine à mesurer tridimensionnelle fonctionne de la même façon. Pour illustrer ce point, nous nous concentrerons sur l’utilisation d’une MMT dotée d’un palpeur à déclenchement par contact, sans nul doute le palpeur de MMT le plus populaire aujourd’hui. Ce palpeur extrêmement sensible enregistre des points sur les surfaces de la pièce ou de l’objet en train d’être mesuré.

Les trois axes (XYZ) où le palpeur entre en contact sont enregistrés par la MMT et, une fois combinés à des dizaines voire des centaines d’autres mesures XYZ, servent à mesurer précisément l’objet ou la pièce, souvent à des fins d’inspection. Ces mesures sont ensuite comparées aux spécifications pour vérifier si la pièce est conforme aux normes acceptables.

Catégories de machines MMT

Les quatre principaux types de machines MMT sont celles à pont, à col de cygne, à portique et à bras horizontal. Parmi elles, les MMT à pont sont, sans conteste, les plus populaires grâce à leur capacité à fournir des mesures précises au micromètre près. Leur prix relativement accessible est dû à leurs faibles coûts de production.

Lot de pièces mécaniques

Conçues pour les objets et pièces de plus petite taille, les MMT à col de cygne sont généralement destinées à une utilisation en atelier, où leur accès ouvert sur trois côtés permet aux opérateurs de s’en servir aisément. Les MMT à portique procurent la précision optimale des MMT à pont, mais pour les pièces volumineuses et lourdes. Montées au sol, les machines à portique exigent des fondations solides pour leur installation.

Les MMT à bras horizontal sont les moins précises mais elles offrent de nombreux avantages lors de l’inspection d’objets et composants de grande taille, en particulier pour des volumes de production élevés, tels ceux que l’on retrouve souvent dans les industries automobile, ferroviaire, et de transport de marchandises. Tant que les spécifications de tolérance critique n’excèdent pas les performances de la MMT choisie, les bras horizontaux peuvent être des solutions d’inspection économiques.

Types de palpeurs d’une MMT

Il existe divers types de palpeurs de MMT, notamment les palpeurs à déclenchement par contact, les palpeurs mesurant le déplacement, les capteurs de proximité, ainsi que les palpeurs multi-capteurs.

Commençons par les palpeurs à déclenchement par contact. Pour transmettre leurs coordonnées au processeur de la MMT, ceux-ci doivent entrer en contact avec la surface de l’objet en train d’être mesuré. Les palpeurs mesurant le déplacement, eux, scannent la pièce ou le composant et transmettent un flux de données de mesure de la surface à la MMT.

Les capteurs de proximité fonctionnent d’une façon similaire aux palpeurs mesurant le déplacement, dans le sens où ils ne doivent pas entrer en contact avec l’objet. Leur différence réside dans le fait que les capteurs de proximité utilisent des lasers ou des technologies vidéo au lieu des capteurs opto-électriques employés par les palpeurs mesurant le déplacement.

Technicien MMT et robot mesurant une pièce automobile

Avantages des machines MMT

N’importe quelle revue de métrologie vous rappellera que les MMT peuvent fournir une précision submillimétrique incroyable sur une variété de géométries. Qui plus est, les meilleures machines à mesurer tridimensionnelles fonctionneront pendant des années. En investissant dans cette technologie, vous pouvez vous attendre à ce qu’elle dure une décennie, voire plus.

L’ESSENTIEL

Les MMT peuvent fournir une précision submillimétrique incroyable sur une variété de géométries.

Les machines à mesurer tridimensionnelles peuvent représenter une solution efficace pour vérifier les pièces et les composants, qu’il s’agisse d’une inspection de pré-production, interne, ou finale. Lorsqu’elles sont utilisées dans le cadre d’un workflow de contrôle qualité bien établi, les MMT — grâce à leur capacité sans faille à mesurer précisément dans la gamme submillimétrique — peuvent faire gagner à la fois du temps et de l’argent, et même prévenir les poursuites judiciaires et les catastrophes.

Inconvénients

Coûts, installation, programmation

Le prix d’une machine à mesurer tridimensionnelle de qualité peut aller d’environ 50 000 $ à 250 000 $ ou plus, en fonction de ses caractéristiques et performances. Même si cet achat n’est effectué qu’une fois tous les dix ans, il peut représenter une dépense considérable. Le coût secondaire de l’installation doit également être pris en compte. Les MMT doivent être installées correctement dans une pièce bien ventilée, sur une plaque atténuant les vibrations, avec un approvisionnement constant en air comprimé à disposition.

Inspection d’un bloc moteur à l’aide d’une MMT

Le coût du matériel additionné à celui de l’installation peut faire grimper le prix d’une machine à mesurer tridimensionnelle fiable mais de milieu de gamme jusqu’à 500 000 $, voire plus. Sans oublier la formation. En tant qu’instruments de métrologie, les MMT doivent être utilisées par des spécialistes, ce qui nécessite du temps ainsi qu’une formation. Ces techniciens chevronnés sont par ailleurs très demandés dans le secteur.

Une fois la machine MMT installée et prête à fonctionner en présence d’un opérateur qualifié, outre l’ajustage initial, la machine devra également être programmée pour les types de pièces et d’objets qu’elle mesurera régulièrement. Les inspections ponctuelles de composants inhabituels peuvent nécessiter une longue configuration étant donné qu’elles font généralement l’objet d’une programmation spéciale en amont.

L’ESSENTIEL

Les objets de grande taille, tels que ceux vus fréquemment dans l’aérospatiale, l’industrie automobile, voire l’archéologie, peuvent exiger des périodes de temps extrêmement longues pour un mesurage correct.

Étant donné que les MMT exigent le positionnement correct et la fixation des pièces avant le mesurage, les opérateurs doivent tenir compte de ce délai supplémentaire pour chaque objet. Par ailleurs, les objets de grande taille, tels que ceux vus fréquemment dans l’aérospatiale, l’industrie automobile, voire l’archéologie, peuvent exiger des périodes de temps extrêmement longues pour un mesurage correct, ce qui peut épuiser l’opérateur.

Mesurages lents, épuisement de l’opérateur, risque d’endommagement

Mentionnons à titre d’exemple la tentative d’archéologues sous-marins d’utiliser une machine MMT (bras Faro) pour mesurer précisément des planches en bois de 8 mètres de long d’un navire viking. Chaque planche exigeait plus de deux heures de mesurage avec la machine MMT. Sachant que 228 planches devaient être mesurées, il aurait fallu aux 4 membres de l’équipe plus d’une année pour toutes les traiter avec cet appareil.

Un archéologue sous-marin numérise des planches en bois d’un navire ancien avec Artec Eva

Disposant de très peu de temps, les archéologues se sont tournés vers le scan 3D pour accomplir cette tâche. À la différence de leur machine MMT, le scanner 3D portable qu’ils ont choisi n’a eu besoin que d’un mois pour numériser et traiter les 228 planches en haute résolution couleur. Chaque planche a été scannée en seulement 5 à 10 minutes. Et le niveau de détail des scans était suffisant pour que des analyses dendrochronologiques permettent de déterminer l’origine exacte du bois antique.

Outre les longues durées des mesurages, l’inspection de pièces à l’aide d’une machine MMT dotée des types de palpeurs les plus communs nécessite de faire entrer ces derniers en contact avec chaque surface à mesurer. Il peut s’agir d’un véritable défi, surtout lorsque certaines sections d’une pièce sont obstruées ou difficiles à atteindre. Impossible à mesurer, la surface doit ensuite être recréée à l’aide d’un logiciel, au détriment de la précision.

Machine MMT en train de mesurer les dimensions d’une pièce automobile

Cette même nécessité de contact des machines MMT exclut leur utilisation pour un certain nombre d’applications. Non seulement le palpeur de mesure peut déformer les pièces souples ou en caoutchouc lorsqu’il les touche, d’où l’apparition d’inexactitudes, mais il n’est pas rare que les palpeurs d’une MMT endommagent divers matériaux. Des rayures, éraflures et autres défauts de surface peuvent ainsi survenir facilement.

Pour cette raison, les méthodes de mesure sans contact telles que le scan 3D sont des solutions incontournables dans des domaines aussi variés que la rétro-ingénierie et l’archéologie, le contrôle qualité et la préservation du patrimoine, ainsi que la criminalistique et bien d’autres. Aux quatre coins du monde, les spécialistes comprennent que lorsque des objets extrêmement précieux ou des preuves cruciales sont en jeu, aucun risque de dégâts irréversibles ne doit être pris.

Le scan 3D comme alternative viable

Comme mentionné ci-dessus, les scanners 3D professionnels portables et de bureau peuvent être une solution efficace pour les tâches les plus exigeantes en contrôle qualité, inspection, ou rétro-ingénierie. À n’importe quel stade d’un workflow de production, que ce soit dans une usine, sur un quai de chargement, ou ailleurs, en quelques minutes, ce genre de scanner peut numériser dans une 3D submillimétrique ce qu’une machine MMT rigidement fixée ne pourrait mesurer qu’en une heure ou plus.

Rapidité, facilité d’emploi et de transport

Un exemple éloquent a eu lieu au British Museum, où une équipe de deux personnes a été chargée de numériser en quelques semaines plus de 400 moulages fragiles en plâtre du XIXe siècle d’anciens monuments mayas. Les mesures avec contact physique étaient exclues compte tenu du risque de dommages, sans parler des contraintes de temps. Une précision submillimétrique était essentielle, et les chercheurs et musées attendaient fébrilement les modèles réalistes numériques et imprimés en 3D.

L’ESSENTIEL

PLes scanners 3D professionnels sont assez simples à manier et peuvent être une solution rapide et efficace pour les tâches les plus exigeantes en contrôle qualité, inspection, ou rétro-ingénierie.

Chaque moulage en plâtre de taille moyenne à large a été scanné en à peine 10 minutes. Toutes les surfaces, y compris les gravures profondes et difficiles à atteindre ainsi que les bords incurvés ont été méticuleusement numérisés en 3D couleur de haute résolution. Même si une machine MMT avait été une option sûre, le temps nécessaire par moulage aurait largement dépassé 1 heure, faisant accuser un retard de plusieurs mois au projet urgent.

Scan 3D de moulages de monuments mayas avec Artec Eva au British Museum

Les meilleurs scanners 3D sont assez simples à manier et, après à peine une heure ou deux de formation, même les parfaits débutants peuvent progresser jusqu’à la maîtrise du scan 3D. Autrement dit, les effectifs déjà présents sont tout à fait capables d’apprendre à utiliser cette technologie pour les tâches de contrôle qualité.

Prix abordables, logiciel intuitif, acquisition des données sans danger pour les surfaces

À la différence des MMT, les scanners 3D n’entraînent pas de frais d’installation, la formation est généralement incluse, et le coût final représente une fraction de celui d’une MMT. Légers et entièrement portatifs pour une utilisation au bureau et sur les sites de clients proches ou éloignés, les scanners 3D de haute qualité sont conçus pour durer de nombreuses années.

Si l’appareil que vous choisissez s’accompagne d’améliorations régulières du logiciel de scan multipliant la résolution et la précision, même des années plus tard, votre scanner fournira de meilleurs résultats que le jour où vous l’avez sorti pour la première fois de sa boîte.

Modèles 3D d’une pièce métallique créés avec le même scanner, Artec Eva. Une mise à jour d’Artec Studio proposant le Mode HD améliore les résultats de façon spectaculaire.

Afin d’acquérir des données claires et sans ambiguïté de vos objets, en particulier pour les inspections, le scanner 3D professionnel pour lequel vous optez devrait inclure un logiciel de traitement de scan facile à utiliser et doté de fonctionnalités de compte-rendu visuel simples telles que les cartes de distances surfaciques. En outre, l’intégration du logiciel avec des packs d’inspection aux fonctionnalités complètes, par exemple Geomagic Control X, est un atout de taille.

Qui dit scan zéro contact, dit zéro risque de dommages, quel que soit l’objet avec lequel vous travaillez. Il peut s’agir de pièces aérospatiales en silicone aux tolérances serrées, de fossiles millénaires, de preuves cruciales sur une scène de crime, de pièces de musée inestimables, etc. Les compagnies d’assurances, les inspecteurs qualité, et le personnel de musée sont parmi les nombreuses personnes à pousser un soupir de soulagement en entendant cela, en particulier si, par le passé, elles ont déjà dû faire face aux conséquences d’un accident causé par un mesurage avec contact.

Numérisation d’un crocodile antique fossilisé au Kenya, avec Artec Eva

Délais de commercialisation réduits, myriade d’applications, possibilités d’automatisation

Depuis quelques années, les solutions de scan 3D portables prennent pied chez toutes sortes de fabricants. Ces technologies donnent à la direction le pouvoir de respecter des normes soigneusement définies dès le début du cycle de production. Vous pouvez ainsi réduire le nombre de cycles conception-fabrication-test au minimum et économiser une grande quantité de temps et d’argent, tout en éliminant le taux de rejet par les clients et en évitant les poursuites.

La mobilité élevée des scanners 3D portables et de bureau, conjuguée à leurs temps d’acquisition rapides, offre la possibilité de partager ces appareils dans de nombreux départements. Dès qu’une entreprise comprend que son scanner 3D peut être utile non seulement pour un contrôle qualité de haute précision mais également pour la rétro-ingénierie, la formation RV/RA, le prototypage rapide, et davantage, le retour sur investissement de cette technologie peut être poussé au maximum.

Les récentes avancées dans les domaines de l’intelligence artificielle et des technologies de scan 3D placent les solutions de scan 3D automatisées sur le devant de la scène. Sans presque aucune intervention humaine nécessaire, des lots d’objets et de pièces identiques et très complexes sont numérisés via des trajectoires de scan idéales, résultant en des acquisitions de surface rapides et complètes avec une précision extrême. En matière d’inspection, qu’elle soit de pré-production ou de post-production, les solutions de scan 3D de bureau et bras robotisés professionnels peuvent réduire les délais d’exécution tout en identifiant précisément toute variation et défaut. Il en résulte un workflow plus fluide et léger, assorti de frais réduits de matériaux, de retours moins nombreux, et de normes de qualité supérieures.

Conclusion

Artec Leo : scanner 3D rapide à la précision submillimétrique avec un traitement automatique embarqué sans fil

Il ne fait aucun doute que les machines MMT peuvent constituer des solutions efficaces pour les workflows de métrologie actuels. Cependant, d’autres technologies de mesure doivent être étudiées attentivement avant tout achat. Comme souligné ci-dessus, pour de nombreuses entreprises et organisations, les solutions de scan 3D portables et de bureau modernes offrent une constellation d’avantages dont sont dépourvues les MMT.

L’ESSENTIEL

Pour de nombreuses entreprises et organisations, les solutions de scan 3D portables et de bureau modernes offrent une constellation d’avantages dont sont dépourvues les MMT.

La meilleure façon de décider est de voir par vous-même. Commencez par organiser une démonstration d’une machine MMT, proche de celle d’une solution de scan 3D professionnelle, portable ou de bureau, en fonction de vos besoins. Dressez au préalable la liste de vos exigences. Après chaque démo, muni des devis pour chaque solution, veillez à prendre en compte le coût de l’opérateur et l’utilisation éventuelle de l’appareil par d’autres départements de votre entreprise.

En résumé, les solutions de scan 3D professionnelles portables et de bureau peuvent offrir à n’importe qui, indépendamment d’une formation professionnelle, le pouvoir d’une numérisation submillimétrique portable et d’un mesurage métrologique, à une fraction du coût et des responsabilités de maintenance continue nécessaires pour une machine MMT.

Sommaire
Écrit par: 

Matthew McMillion

Journaliste technique

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