Calcul générique des incertitudes associées à la morphologie des surfaces manufacturées

Generic computation of uncertainties associated with the morphology of manufactured surfaces

• Auteur / Autrice : Clement Moreau
• Direction : Maxence Bigerelle
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Inscription en doctorat le 15/01/2022
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Polytechnique Hauts-de-France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Automatique, de Mécanique et d'informatique Industrielles et Humaines

Mots clés

Mots clés libres

Métrologie

Incertitudes

Rugosité

Topographies de surface

Multi-échelle

Profilomètre 3D

Metrology

Uncertainties

Roughness

Surface Topography

Multi-scale

3D Profilometer

Résumé

Le contrôle de l'état de surface d'un composant mécanique se fait à l'aide d'une mesure profilométrique z = f(x), ou d'une mesure surfacique z = f(x,y). Les paramètres sont calculés sur les données mesurées après un certain nombre d'opérations de filtrage et d'ajustement de forme. Les métrologues et les utilisateurs n'effectuent pas souvent plusieurs mesures, et se fient donc aux résultats d'une seule mesure, et souvent aussi d'un seul calcul de paramètre. Cependant, de nombreux facteurs perturbateurs interviennent dans ces opérations : l'instabilité de l'instrument (répétabilité, résolution, bruit, etc.), la localisation et l'orientation de la mesure, la complexité du relief microscopique, ou encore l'hétérogénéité des matériaux. La thèse décrite ici se propose d'explorer les variabilités à tous les niveaux afin d'identifier les meilleures conditions de mesure et d'analyse, en fonction du type d'échantillon, et de proposer une procédure, sorte de guide de bonnes pratiques, pour l'utilisateur, afin d'obtenir des résultats significatifs et stables. En particulier, les points suivants seront explorés : - Stabilité instrumentale : variabilité des mesures dans le temps, niveau de bruit, présence de points non mesurés ou de valeurs aberrantes, corrélation entre les déviations et la localisation sur la surface, influence des paramètres instrumentaux, différences selon le principe de mesure. - Variabilité spatiale : influence de la localisation (petits décalages X et/ou Y), influence d'une petite rotation, comparaison avec une rotation de ±90°, 180°. - Sensibilité des opérations : filtrage, rectification, suppression de formes, segmentation, etc. - Sensibilité des calculs de paramètres : quels paramètres sont sensibles à quelles perturbations. - Influence de la résolution : ou du nombre de points mesurés. - Influence de la topographie de la surface : influence de la rugosité, des pentes maximales, de la distribution des pics, de la forme, de la complexité intrinsèque, etc. - Influence des structures géométriques : influence des structures périodiques ou géométriques, des pores, des marches verticales, etc. - Influence des matériaux : influence de la réflectivité, des particules ou couches semi-transparentes, etc. Chaque facteur identifié comme statistiquement significatif devra être expliqué. L'origine du facteur sera identifiée, son influence sur les résultats expliquée et une valeur optimale sera proposée. Une synthèse proposera une série de bonnes pratiques visant à obtenir les mesures et analyses les plus stables et les moins affectées par les facteurs d'influence mentionnés ci-dessus. Les mesures seront effectuées sur les instruments disponibles au LAMIH, notamment des interféromètres, des microscopes confocaux, des microscopes à variation de foyer. Les analyses seront effectuées avec le logiciel MountainsMap, éventuellement complété par des scripts développés par l'étudiant ou par le LAMIH, notamment pour l'analyse statistique. Le travail au cours de cette thèse portera sur la réalisation de tests de mesure, leur analyse et leur interprétation. Le développement d'algorithmes pour le calcul des états de surface n'est pas l'objet de cette thèse. Des périodes de présence chez Digital Surf (Besançon, France) seront prévues plusieurs semaines par an, afin de se former au logiciel MountainsMap et à la métrologie des états de surface et de travailler et discuter avec les équipes de développement et les ingénieurs d'application. Le reste du temps sera passé à l'INSA Hauts-de-France au laboratoire LAMIH UMR CNRS 8201 (Valenciennes, France) dans l'équipe MorphoMeca.

The control of surface condition on a mechanical component is done using a profilometric measurement z = f(x), or an areal measurement z = f(x,y). Parameters are calculated on the measured data after a number of filtration and form fitting operations. Metrologists and users do not often perform multiple measurements, and therefore rely on results from a single measurement, and often also from a single parameter calculation. However, many disturbing factors intervene in these operations: the instability of the instrument (repeatability, resolution, noise, etc.), the location and orientation of the measurement, the complexity of the microscopic relief, and even the heterogeneity of materials. The thesis described here proposes to explore the variabilities at all levels in order to identify the best measurement and analysis conditions, according to the type of sample, and to propose a procedure, a sort of best practice guide, for the user, in order to obtain significant and stable results. In particular, the following points will be explored: • Instrumental stability: variability of measurements over time, noise level, presence of non-measured points or outliers, correlation between deviations and location on the surface, influence of instrumental parameters, differences according to the measurement principle. • Spatial variability: influence of location (small X and/or Y offsets), influence of a small rotation, comparison with a rotation of ±90°, 180°. • Sensitivity of operations: filtering, rectification, shape removal, segmentation, etc. • Sensitivity of parameter calculations: which parameters are sensitive to which perturbations. • Influence of the resolution: or the number of points measured. • Influence of surface topography: influence of roughness, maximum slopes, peak distribution, shape, intrinsic complexity, etc. • Influence of geometric structures: influence of periodic or geometric structures, pores, vertical steps, etc. • Influence of materials: influence of reflectivity, semi-transparent particles or layers, etc. Each factor identified as statistically significant should be explained. The origin of the factor will be identified, its influence on the results explained and an optimal value will be proposed. A synthesis will propose a series of good practices aiming at obtaining the most stable measurements and analysis and the least affected by the influence factors mentioned above. The measurements will be performed on the instruments available at LAMIH, including interferometers, confocal microscopes, focus variation microscopes. The analyses will be performed with the MountainsMap software, possibly completed with scripts developed by the student or by LAMIH, in particular for the statistical analysis. The work during this thesis will focus on the realization of measurement tests, their analysis and their interpretation. The development of algorithms for the calculation of surface conditions is not the subject of this thesis. Periods of presence at Digital Surf (Besançon, France) will be planned for several weeks per year, in order to train in MountainsMap software and surface texture metrology and to work and have discussions with the development teams and application engineers. The rest of the time will be spent at INSA Hauts-de-France at LAMIH UMR CNRS 8201 laboratory (Valenciennes, France) in MorphoMeca team.