par dominique Dubois - dubois.dominique@gmail.com

On ne présente plus la division métrologie industrielle de Carl Zeiss mais beaucoup sousestiment encore combien l’offre de la grande dame de l’optique a évolué ces dernières années, notamment pour répondre aux demandes croissantes de l’industrie aéronautique pour des contrôles plus efficaces. Le groupe Carl Zeiss pèse désormais plus de 2,1 milliards d’euros de chiffre d’affaires, réalisé pour 80% à l’export et emploie au total environ 14 000 personnes.

Très présent en France avec près de 140 collaborateurs, CARL ZEISS SAS commercialise, entre autres, la gamme de machines à mesurer et tout ce qui gravite autour à commencer par les logiciels comme les têtes de palpage et de numérisation. Les applications dans le domaine aéronautique sont nombreuses et l’experience du fabricant est précieuse dans bien des situations complexes, tant certaines pièces de forme sont délicates à contrôler.

Fig. 1 - Photo prise sur le site de Vernon : UMPC Carat mesurant une pièce de turbopompe de moteurfusée cryotechnique.

Une machine de mesure tridimensionnelle... au cœur de l’atelier
Fini les machines à mesurer isolées en salle de métrologie ou dans des cabines climatisées en bord de ligne. La machine CenterMax de Zeiss s’installe au cœur de l’atelier et autorise un contrôle en ligne, même s’il est difficile d’imaginer une machine de mesure tridimensionnelle entourée de machines-outils, dans la poussière, les vibrations et la température d’un atelier de production. Première nouveauté, le type de matériau utilisé dans le bâti de la machine. La CenterMax emploie en effet un alliage de fer et de nickel, l’invar, employé notamment dans le domaine de l’optique ou de l’aéronautique et apprécié pour sa très faible dilatation thermique. Contrairement aux machines de mesurer tridimensionnelle classiques qui intègrent des sondes de température permettant de compenser la dilatation du bâti dans une plage plus ou moins large autour de 20°C, la CenterMax intègre dès le départ, dans l’expression de la précision, un coefficient dépendant de l’écart entre la température réelle et 20°C. La machine offre aussi une protection spéciale contre les projections d’huile et de solvants. Les zones de guidages en céramique sont recouvertes de plaques métalliques, sur lesquelles le brouillard d’huile de l’atelier se condense.

Un nouveau concept de numérisation
Pour les machines destinées à suivre une production en atelier ou en bord de ligne, Zeiss a développé un nouveau concept de scanning : Navigator. Il gère les palpeurs depuis leur étalonnage, qui se fait en mode scanning et non en palpage point à point. L’ensemble des contraintes liées aux palpeurs, accostages et flexions, sont ainsi prises en compte dès la prise du palpeur. Ceci permet de conserver la précision de mesure en multipliant par 4 la vitesse de prise de point en mode numérisation.

Associée à un accostage tangentiel et à un scanning hélicoïdal, il est possible de mesurer en quelques secondes un cylindre, en disposant de valeurs permettant de contrôler avec une grande précision la dimension et le défaut de forme de la pièce. Les solutions industrielles proposées par Zeiss ont longtemps été réservées à des experts en métrologie et à des locaux climatisés. Elles permettent aujourd’hui une mesure de haute précision avec la technologie Scanning, jusque dans l’atelier, en bord de ligne.

Fig. 2 - C’est justement quand il s’agit de vérifier le bon ajustage des pièces que le scanning se révèle la méthode de mesure la plus fiable. Calypso visualise la nature de la déformation avec une telle précision qu’il est possible de détecter des écarts ou d’exploiter les tolérances existantes.

Un navigateur pour contrôler les pièces de forme
Si l’on considère le secteur aéronautique dans son ensemble, l’assurance qualité dans la construction des peaux et éléments de fuselage est l’une des applications métrologiques les plus complexes, vu qu’il s’agit de mesurer d’innombrables arêtes et alésages, tout comme des sections et des transitions, avec une rapidité et une précision maximales. Un contrôle de qualité sans faille est dès lors primordial pour la fiabilité du processus industriel.

Fig. 3 - Si les flancs d’un engrenage sont saisis en trois dimensions par une machine à mesurer, ils peuvent être comparés directement avec les données de CAO et la géométrie de l’engrenage peut être ainsi décrite sous une forme bien plus approfondie. Doté d’un noyau de CAO, le logiciel GearPro réunit d’ores et déjà tous les atouts pour satisfaire les exigences de contrôle actuelles qui se réfèrent au fichier CAO idéal.

Ceci justifie le lancement d’Eagle Eye, un produit de la ligne des navigateurs dont la technologie inédite de métrologie optique répond précisément aux besoins exprimés par les utilisateurs. Le navigateur Eagle Eye est le système interactif d’assistance en métrologie qui guide l’opérateur dans toutes ses tâches afin d’obtenir des résultats exacts avec rapidité et fiabilité. La technique forcément imprécise, longue à mettre en place et peu informative des adaptateurs sphériques est ainsi définitivement révolue et l’utilisateur est renseigné au micromètre près sur le diamètre, la position et sur la forme de l’élément à mesurer par reconnaissance directe de la forme et du diamètre du trou par le logiciel. Toutes les données sont disponibles sous forme d’un nuage de points. Les caractéristiques sont calculées dans CMM-OS, puis exploitées par le logiciel d’application. En innovation marquante, ce navigateur ouvre la métrologie industrielle vers une dimension nouvelle par l’adjonction d’un sixième axe. Seul un axe à rotation continue permet en effet de positionner le système de mesure optique de façon optimale, dans la direction normale à chaque élément à mesurer. Les points d’une arête en particulier peuvent être relevés avec une précision inouïe grâce à ce nouvel équipement. Le navigateur Eagle Eye fonctionne selon le principe physique simple qu’est la triangulation qui veut que si deux angles et un côté sont connus, on peut calculer tous les autres éléments d’un triangle.

Fig. 4 - La Metrotom combine les techniques de métrologie avec celle de la tomographie. Cette radiographie 3 D permet avec un logiciel puissant de vérifier des détails insoupçonnés sur des pièces complexes comme des connecteurs ou des distributeurs hydrauliques utilisés en aéronautique.

Fig. 5 - La F 25 est une nouvelle machine 3D sur patins aérostatiques, d’un volume de mesure d’un décimètre cube. La cinématique et la chaîne de mesure d’une extrême précision garantissent une incertitude de 250 nm pour une résolution de 7,5 nm. Un capteur tactile spécial a été développé tandis que le capteur optique est un objectif de microscope (Zeiss bien sûr) jumelé à une tête Viscan.

Carl Zeiss SAS équipe la SNECMA pour la fabrication des moteurs du lanceur Ariane 5

Dans ce domaine, le groupe allemand est fournisseur, depuis les années 80, de machines tridimensionnelles pour la société Snecma (groupe SAFRAN), motoriste aéronautique et spatial.

Soucieuse de la qualité et du respect de son cahier des charges, Snecma a choisi d’utiliser, pour son site de Vernon, les machines ZEISS afin d’assurer la qualité dimensionnelle de la fabrication de différents éléments des moteurs. La division Moteurs spatiaux de Snecma est ainsi équipée de la gamme de machines à portique tridimensionnelle ZEISS U®. En l’occurrence, l’UPMC Carat de ZEISS est parfaitement adaptée aux besoins de Snecma pour contrôler la fabrication des pièces des moteurs d’Ariane 5.

En effet, les pièces de turbo machine de moteur-fusée sont des pièces complexes et qui demandent un contrôle de très haute précision. Selon Zeiss, la gamme type UPMC est une référence pour la métrologie et les laboratoires d’analyse et d’expertise. Avec sa conception robuste, son entraînement central, sa tête de mesure Universelle ZEISS U de scanning actif, UPMC permet, par une analyse dimensionnelle de très haute précision, de rechercher, découper et analyser le dernier micron des pièces.

Dans ce type d’applications, citons Blade Pro qui est un nouveau logiciel d’évaluation dédié à la mesure des aubes de turbines. Il y a beaucoup de paramètres et de méthodes d’analyse pour évaluer la qualité des aubes de turbines. Zeiss a compilé dans une étude globale les informations collectées chez différents constructeurs de turbines afin d’adapter la méthode de contrôle. Le développement de ce nouveau logiciel pour l’évaluation des mesures d’aubes de façon automatisée est fondé sur cette étude. Ce logiciel s’appelle Blade Pro et peut être utilisé en liaison avec les options de mesures de courbes des logiciels de mesure tridimensionnelle Calypso et Umess. Le gain de productivité est considérable au dire des utilisateurs.

La technologie Carat utilisée pour la construction de la poutre et de la broche assure à la machine UPMC une précision mécanique absolue. Avec 21 paramètres de correction pris en compte dans sa phase de réception et de calibrage, cet équipement de haute précision assure d’atteindre le maximum de ce que permettent le meilleur de la mécanique et de l’électronique.

Le système PRO : la solution pour les grands volumes
Spécialement étudiés pour les mesures de caisses automobiles ou de composants aéronautiques volumineux, les bras de mesure Zeiss viennent compléter la gamme des MMT à portique, à la fois d’un point de vue dimensionnel mais aussi en permettant des mesures à vitesse élevée - 866 mm/s - sur de grandes distances pour un coût encore raisonnable. Zeiss a mis toute son expérience dans la conception des tables-support et dans la compensation des parties mobiles, afin de garantir un niveau de précision de machines à mesurer “d’expertise”. Par exemple, les tables-support sont calculées par la méthode des éléments finis et sont un composite de fonte et d’acier dont le comportement est mesuré en conditions réelles avec une charge extrême afin de garder un coefficient de sécurité bienvenu. Des pièces de 26 tonnes, de 8 mètres de long pour 3 mètres de large peuvent ainsi être mesurées dans la plage des 25 microns. La planéité de la table étant de 140 µm sur 6 m, l’achat d’un marbre à dresser n’est plus utile pour le traçage des hauteurs. La colonne et la glissière se déplacent toutes deux sur des surfaces de profilés minces trapézoïdaux durcis par trempe au laser suivant un procédé exclusif. La planéité est de 5 µm par mètre. pour éviter les effets de levier, le centre de gravité de l’axe X se déplace et la traction est assurée par trois tirants dont le réglage fin permet de garantir la compensation des déformations ondulatoires. De même, l’ajustement du chariot en croix X/Y se fait à l’aide de 28 excentriques et demande un réglage très minutieux.

La gamme
Les deux modèles possèdent une interface universelle qui accepte aussi bien les têtes et les palpeurs les plus variés, les têtes de numérisation ainsi que des systèmes de vision motorisés ou non. Le PRO SELECT peut atteindre en X, Y et Z, 10 000 x 1 800 x 2 500 mm tandis que le PRO T SELECT se contentera de 7 200 x 1 800 x 2 500 mm. En version haute précision, les deux appareils assurent une précision de 18 µm + L/125. Il est, bien sûr, possible de monter deux colonnes en gantry ou de façon indépendante de part et d’autre de la table.

Ce bras Pro est en fonction chez AIRBUS à Méaulte, où sa rapidité est appréciée.