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Essais & Simulations n°118

Le rôle des capteurs dans les essais

Le rôle des capteurs dans les essais

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Edito<br />

Déjà trente ans d’essais !<br />

En octobre 1984 sortait de l’imprimerie l’ancêtre du magazine <strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong>.<br />

Edité par l’Association pour le développement des sciences et techniques de l’environnement<br />

(ASTE), le premier numéro de La Revue des laboratoires d'essais assurait<br />

chaque trimestre la diffusion des informations sur l’activité de l’association mais aussi de toute<br />

une profession ; l'objectif étant d'informer tous les acteurs du milieu des essais et de la mesure<br />

des évolutions ainsi que des nouveautés dans un domaine à la fois vaste (touchant la R&D,<br />

la qualification, l’industrialisation…) et en constante mutation… et ce jusqu’à l’arrivée de la<br />

simulation.<br />

A mi-parcours, afin de mieux s’adapter à la réalité changeante de l’organisation du monde des<br />

essais et de se rapprocher du monde industriel, la revue a été rebaptisée <strong>Essais</strong> Industriels. Le<br />

but ayant été de la rendre plus généraliste en y intégrant le « Dossier » que nos chers lecteurs<br />

retrouvent à chaque numéro, portant sur un thème en particulier en y abordant les problématiques<br />

et les solutions technologiques offertes à l’industrie.<br />

Puis, en octobre 2009, à l’occasion de son 100e numéro, la revue change une nouvelle fois<br />

de nom pour laisser plus de place à la simulation. <strong>Essais</strong> et <strong>Simulations</strong> devait ainsi répondre,<br />

selon les propos de Bernard Colomiès, président de l’ASTE de l’époque, à « l’évolution des<br />

techniques, en particulier l’apparition des simulations numériques des contraintes environnementales<br />

sur les structures. Ainsi, en abordant tous les aspects techniques de la simulation<br />

numérique aux essais, la revue ne s’adressera pas seulement aux techniciens et ingénieurs<br />

de laboratoires, et à leurs fournisseurs de matériels, mais aussi aux ingénieurs de bureaux<br />

d’études auxquels il incombe de mettre en œuvre les calculs nécessaires dans la phase de<br />

conception d’équipements, pour la prise en compte de l’environnement mécanique, climatique<br />

et électromagnétique. »<br />

Une manière de s’adapter et de pérenniser un titre bien décidé à toujours fournir les précieuses<br />

informations qu’attendent chaque trimestre ses fidèles lecteurs. Et ses quelque sept-cents<br />

articles publiés depuis sa création ne sont que le début d’une longue série… en attendant<br />

de voir ce que les prochaines grandes évolutions technologiques nous réserveront les trente<br />

prochaines années.<br />

Michel-Roger Moreau et Olivier Guillon<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 1


TERMOGRAPHIE INFRAROUGE<br />

APPLICATIONS R&D<br />

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Thermographie spectrale<br />

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Qualité Allemande ‐ Logiciel en langue française<br />

Accompagnement et services personnalisés :<br />

Définition du besoin ‐ Configuration du système<br />

Formation<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 2


Sommaire<br />

Actualités<br />

Sepem Toulouse : deuxième ! ...................................4<br />

L’ASTE et l’Insa CVL organisent<br />

ensemble Astelab et AVE ........................................6<br />

CNPP étend ses activités d’essais feu<br />

aux dispositifs de désenfumage ...............................6<br />

Un état des lieux de la DGA ....................................8<br />

Sensibiliser, promouvoir et stimuler<br />

la simulation numérique .........................................11<br />

Dossier<br />

L'INTERVIEW : Les capteurs :<br />

source d’innovation majeure .................................38<br />

Nouveaux capteurs infrarouge miniatures<br />

multivoies de mesure<br />

de température sans contact .................................42<br />

Dispositif de mesure rapide de température<br />

par Thermocouple ................................................48<br />

Mieux appréhender les transferts thermiques<br />

par des outils de mesure fiables ...........................54<br />

Mecaclim<br />

Capteurs miniatures de température<br />

sans fils pour suivi d’essais ..................................55<br />

Coefficient de variation du dommage par fatigue -<br />

Approximation de la fonction de Crandall & Mark .....14<br />

Mesures et Méthodes de mesure<br />

Spécial Enova Paris<br />

Enova Paris, l’événement<br />

de la mesure de la rentrée ......................................16<br />

Vérifier avec exactitude la propreté d’un fluide ........22<br />

Estimer la durée de vie des plaquettes<br />

d’usinage à partir de données de dégradation ......24<br />

<strong>Essais</strong> et Modélisations<br />

Vie de l’ASTE<br />

Assemblée générale de l’ASTE ................................61<br />

Outils<br />

Programme des formations .......................................62<br />

Agenda .......................................................................63<br />

Répertoires des annonceurs ....................................64<br />

Du PLM au SLM<br />

Comment faire du PLM<br />

un levier de performance ? ...................................29<br />

Siemens toujours leader<br />

du classement de CIMdata ....................................30<br />

Aller plus loin que le PLM avec le SLM ..................31<br />

Avis d’expert<br />

Dependence of the coefficient of thermal expansion<br />

(CTE) of reinforced resins on thermal cycles .........33<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> est la revue partenaire exclusive<br />

de l’ASTE (Association pour le développement<br />

des sciences et techniques de l’environnement).<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 3


Actualités<br />

Entreprise et Marché<br />

Cadesis acquiert Abisse et se renforce<br />

dans la CAO<br />

Le groupe Cadesis, éditeur et intégrateur<br />

expert de solutions logicielles<br />

CAO / PLM / BI auprès des PME / ETI<br />

et Grands Comptes industriels, a mis<br />

la main sur la société Abisse, effectuée<br />

le 8 juillet dernier. Avec 10 M€ de<br />

chiffre d’affaires, le groupe Cadesis<br />

(70 personnes) poursuit sa conquête<br />

de ce marché. Il s’agit, à présent, pour<br />

le groupe Cadesis de déployer son<br />

savoir-faire et ses compétences sur<br />

le cycle complet de la vie des produits<br />

pour une palette étendue de tailles<br />

d’entreprises. C’est là que se situe<br />

la priorité du Groupe afin d’accompagner<br />

les sociétés dans leurs projets<br />

stratégiques de transformation et d’innovation.<br />

Événement<br />

Sepem Toulouse : deuxième !<br />

Deux ans après le succès de sa première édition toulousaine,<br />

le salon Sepem Industries revient du 23 au 25 septembre dans<br />

le sud-ouest de la France avec la même ambition : répondre à<br />

toutes les attentes techniques de ses visiteurs et ce en un temps<br />

optimisé.<br />

Création d’une joint-venture dans<br />

les CND<br />

Le Groupe Institut de Soudure et<br />

Comex Nucléaire, filiale d’Onet<br />

Technologies, ont créé cet été une<br />

co-entreprise, Pinc (Pipeline Inspection<br />

Company) dans le domaine<br />

des contrôles non destructifs (CND).<br />

Cette société a pour ambition d’offrir<br />

une solution française pour contrôler,<br />

en France et à l’international, les<br />

soudures de pipelines en phase de<br />

pose dans les secteurs du pétrole et<br />

du gaz. Pinc profitera de l’expertise<br />

en CND de ses deux « parents », de<br />

leur expérience industrielle et de leurs<br />

savoir-faire respectifs (métallurgie,<br />

soudage, infrastructures gazières, Oil<br />

& Gas pour IS, systèmes automatisés<br />

et environnements contraints pour Comex<br />

Nucléaire).<br />

Delta Neu inaugure un nouveau<br />

centre d'essais<br />

L’entreprise a officiellement ouvert le<br />

13 juin dernier, à La Chapelle d’Armentières<br />

(Lille), le nouveau centre<br />

d’essais et de formation aéraulique<br />

NEU. Ce centre de pointe, appartenant<br />

au pôle NEU du groupe SFPI, a<br />

pour vocation d’effectuer essais, mesures<br />

et contrôles sur des systèmes<br />

et équipements mettant en œuvre<br />

différentes techniques d’utilisation de<br />

l’air dans l’industrie. Ce centre, l'un<br />

des plus importants en Europe dans<br />

le secteur privé, permettra de simuler<br />

toutes les solutions de traitement de<br />

l’air et de process utilisant la force aéraulique.<br />

Le centre dispose ainsi, sur<br />

une surface de 1 000 m2, de plus<br />

d’une dizaine de points de test et de<br />

simulation.<br />

Les Sepem, c’est toujours un succès<br />

! Et si l’édition toulousaine, la<br />

plus récente à ce jour, correspondait<br />

davantage à une demande explicite<br />

des clients du groupe Even Pro<br />

(organisateur des salons Sepem)<br />

qu’au concept traditionnel de ces rendez-vous<br />

semestriels (villes de taille<br />

moyenne, faciles d’accès, orientés<br />

vers des marchés régionaux etc.),<br />

elle a remporté un taux de satisfaction<br />

tout aussi impressionnant, de<br />

l’ordre de 96%.<br />

Un argument bien suffisant pour<br />

renouveler l’édition toulousaine et<br />

agrandir de manière significative<br />

(+40%) la surface d’exposition, laquelle<br />

passe de 7 000 mètres carrés<br />

en 2012 à 10 000 cette année.<br />

Hausse toute aussi importante et logique<br />

du nombre des exposants qui<br />

passe précisément de 396 à 452.<br />

« Le salon affichait déjà complet<br />

avant l’été, s’enthousiasme Philippe<br />

Dutheil, directeur des Sepem Industries.<br />

La croissance de cette édition<br />

est bien réelle mais raisonnée. Nous<br />

souhaitons en effet rester fidèles à<br />

notre concept ».<br />

Une recette qui fonctionne<br />

Ce concept, c’est celui qui repose sur<br />

de petits salons régionaux mais très<br />

techniques. « Notre principal objectif<br />

demeure la qualité de l’offre ». C’est<br />

pourquoi le salon ne badge pas les<br />

étudiants et n’acceptent que les niveaux<br />

Bac +2 de manière à privilégier<br />

les professionnels. L’idée est bien de<br />

répondre par des solutions techniques<br />

et technologiques à toutes sortes de<br />

besoins rencontrés dans l’industrie ;<br />

« il ne s’agit pas d’un salon dans<br />

lequel on se promène ou l’on prend<br />

la température du marché et on observe<br />

les tendances technologiques ;<br />

d’autres événements en France et en<br />

Europe s’en chargent parfaitement.<br />

Les Sepem sont là pour répondre à<br />

des problèmes techniques », rappelle<br />

Philippe Dutheil.<br />

Néanmoins, le directeur du Sepem<br />

précise que ce salon, situé en région,<br />

est d’envergure nationale ; les entreprises<br />

présentes sont nationales,<br />

régionales ou des filiales françaises<br />

de groupes européens ou internationaux.<br />

« Les Sepem proposent en<br />

effet une offre nationale en région et<br />

des solutions dans tous les secteurs<br />

d’activité », conclut Philippe Dutheil.<br />

L’occasion de rappeler que cette nouvelle<br />

édition toulousaine ne s’adresse<br />

pas uniquement aux acteurs et aux<br />

sous-traitants de l’industrie aéronautique<br />

mais bien à tous les domaines<br />

d’avitités.<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 4


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<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 5<br />

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Actualités<br />

Entreprise et Marché<br />

Hexagon s’offre Vero Software<br />

Hexagon AB, fournisseur de solutions<br />

de conception, de mesure et de visualisation,<br />

a annoncé l'acquisition<br />

de Vero Software, éditeur de logiciels<br />

pour la fabrication et la conception<br />

assistée par ordinateur (CAO/FAO).<br />

Cette acquisition renforce l'offre de<br />

logiciels de Hexagon et permet de<br />

combler l’écart entre le fait de fournir<br />

des données entièrement exploitables<br />

tout en étendant la portée du développement<br />

récent de MMS (logiciels<br />

de planification de la métrologie) en<br />

y incluant CAM (logiciel de planification<br />

de la production). Implanté au<br />

Royaume-Uni, Vero software bénéficie<br />

d’un portefeuille composé de plusieurs<br />

marques telles qu’Alphacam,<br />

Cabinet Vision, Edgecam, Radan,<br />

SurfCam Visi, et WorkNC.<br />

Akka Technologies récompensé<br />

sur Eurosatory<br />

Real Fusio, filiale du groupe Akka<br />

Technologies spécialisée dans les<br />

solutions 3D, a remporté le Concours<br />

de l’innovation simulation défense<br />

(SIMDEF) avec 3D Juump, un logiciel<br />

de visualisation et d’optimisation<br />

des données 3D. Développé à partir<br />

de technologies brevetées, ce logiciel<br />

permet de visualiser, analyser, optimiser,<br />

et échanger des données issues<br />

de fichiers CAO et 3D. Les équipes<br />

de développement de Real Fusio ont<br />

réalisé une interface intuitive, pouvant<br />

s’installer sur tout type d’ordinateur.<br />

Se déroulant à l’occasion d’Eurosatory,<br />

ce concours met en lumière les<br />

innovations technologiques dans le<br />

secteur de la défense.<br />

Tests concluants pour le démonstrateur<br />

du SpacePlane d’Airbus<br />

Defence and Space<br />

Ces tests réalisés en mai dernier ont<br />

validé les conditions de vol dynamique<br />

rencontré en fin de vol après un retour<br />

depuis l’espace. Réalisés avec le soutien<br />

du « Singapore Economic development<br />

Board », ces tests se sont<br />

déroulés à 100 kilomètres au large<br />

de Singapour avec une flotte de sept<br />

bateaux. Réalisé en partenariat avec<br />

Hope Technik et Airbus Group Innovations,<br />

le démonstrateur à l’échelle 1:4<br />

utilisé a été largué d’une hauteur d’environ<br />

3 000 mètres. Il a ensuite effectué<br />

une descente de retour vers le sol<br />

en étant piloté depuis la barge, avant<br />

de terminer son vol en mer et d’être<br />

récupéré quelques heures plus tard.<br />

Colloques<br />

L’ASTE et l’Insa CVL organisent<br />

ensemble Astelab et AVE<br />

L’Association pour le développement<br />

des sciences et techniques de l’environnement<br />

(ASTE) et l’Insa Centre<br />

Val de Loire, organiseront du 18 au<br />

20 novembre 2014, dans les locaux<br />

de l’école, à Blois, un colloque « académique<br />

» sur l’analyse vibratoire<br />

expérimentale (AVE 2014), et un colloque<br />

« industriel » : Astelab 2014.<br />

Associé à ces deux colloques, un<br />

salon «Astelab 2014 » est organisé<br />

afin de mieux faire connaître les différents<br />

acteurs du domaine, leurs produits<br />

et leurs services. Ce salon est<br />

dédié aux fabricants et aux vendeurs<br />

de capteurs pour les essais mécaniques,<br />

de moyens d’essais statiques<br />

et dynamiques ainsi que du matériel<br />

d’acquisition de données. Le salon<br />

s’adresse également aux laboratoires<br />

Sécurité<br />

CNPP étend ses activités d’essais<br />

feu aux dispositifs de désenfumage<br />

Déjà actif dans la réalisation d’essais<br />

mécaniques sur les DAS (volets, clapets...)<br />

pour la marque NF, CNPP a<br />

investi une nouvelle fois dans un four<br />

pour la réalisation d’essais de résistance<br />

au feu. Cette acquisition permettra<br />

au centre spécialisé dans la<br />

prévention et la maîtrise des risques<br />

de proposer à ses clients une gamme<br />

complète d’essais (mécanique et résistance<br />

au feu), avec la remise d’un<br />

rapport d’essais et d’un procès verbal<br />

de classement. D’autre part, CNPP<br />

sera en mesure d’offrir une expertise<br />

plus forte sur les essais de résistance<br />

au feu. Enfin, le Laboratoire est désormais<br />

notifié par la commission<br />

Européenne selon les normes EN 15<br />

650 et EN 12 101-8.<br />

d’essais, aux éditeurs et distributeurs<br />

de logiciels de simulation sans oublier<br />

les entreprises de service en calcul<br />

mécanique.<br />

Cet événement se présente comme<br />

une occasion unique pour tous<br />

de partager leur savoir-faire, leurs<br />

connaissances, leurs méthodes et<br />

leurs moyens, sans compter les retours<br />

d’expérience et mise en pratique<br />

des technologies.<br />

Réactivité dans la mise en œuvre<br />

des essais<br />

Parmi les essais réalisés par le laboratoire,<br />

notons que CNPP évalue<br />

l’étanchéité aéraulique (aux gaz),<br />

l’étanchéité au feu et l’isolation thermique<br />

sur les clapets. Trois phases<br />

d’essais sont réalisés sur les volets<br />

mono-compartiment : les essais<br />

d’étanchéité (selon l’EN 1751), les<br />

essais de cyclage et les essais à température<br />

élevée. <br />

Plus précisément, les caractéristiques<br />

techniques du four sont les<br />

suivantes : les dimensions sont de<br />

3m x 3m x 3m, la température atteint<br />

plus de 1 100°C et la montée en<br />

température suit une courbe normalisée<br />

(courbe ISO 834 / EN NF 1363-<br />

1) pilotée par l’alimentation de huit à<br />

douze bruleurs propane. Une légère<br />

surpression est maintenue dans le<br />

four et réglée à l’aide d’un volet installé<br />

sur la cheminée.<br />

C<br />

M<br />

J<br />

CM<br />

MJ<br />

CJ<br />

CMJ<br />

N<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 6


Maîtrisez et tracez vos<br />

essais en toute simplicité<br />

1 Définir le banc d’essai<br />

Metroview2<br />

Enceintes climatiques & thermostatiques<br />

Caractérisation et<br />

vérification des<br />

enceintes<br />

climatiques<br />

et<br />

3 Positionner les sondes thermostatiques<br />

TM<br />

2 Sélectionner les enceintes 5<br />

Selon les normes<br />

FD X 15-140 et<br />

ISO 60068-3 (5,6,7 et 11)<br />

4<br />

Déterminer la plage<br />

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<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 7


Actualités<br />

Entreprise et Marché<br />

Perspectives<br />

Un état des lieux de la DGA<br />

Depuis le lancement en 2008 de la révision générale des politiques publiques (RGPP), la Direction<br />

générale de l’armement (DGA), à l’image de l’ensemble du ministère de la Défense, a amorcé une<br />

évolution marquée par une déflation des effectifs et un recentrage sur le cœur de métier. Acteur majeur<br />

du monde des essais en France, il était important pour la revue <strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> de se pencher<br />

sur un organisme qui regroupe un nombre important de centres d’essais sur l’ensemble du territoire<br />

national. En avant-première d’un dossier spécial qui paraîtra dans le prochain numéro (n°119), voici un<br />

état des lieux de la DGA aujourd’hui.<br />

Née dans les années 50, à une période<br />

où l’État français, à l’issue de<br />

la Seconde guerre mondiale, a été<br />

confronté à la nécessité de donner une<br />

impulsion forte à l’ensemble du secteur<br />

industriel de l’armement, la DGA a traversé<br />

un demi-siècle d’histoire pour arriver<br />

en ce début de 21e siècle dans un<br />

contexte géopolitique assez différent<br />

de celui de ses débuts. Aujourd’hui la<br />

DGA est totalement intégrée au sein<br />

du ministère de la Défense et le Délégué<br />

général pour l’armement (DGA)<br />

est l’un des trois subordonnés du ministre<br />

avec le Chef d’état-major des armées<br />

(CEMA) et le Secrétaire général<br />

pour l’administration (SGA).<br />

Les missions essentielles de la DGA<br />

se déclinent suivant trois axes :<br />

• Préparer le futur des systèmes de<br />

défense,<br />

• Équiper les forces armées,<br />

• Promouvoir les exportations.<br />

Ses missions structurantes sont assurées<br />

grâce à des compétences uniques<br />

mises au service de l’État. Ainsi, dans<br />

son action de pilotage des opérations<br />

d’armement, la DGA possède une<br />

vision d’ensemble qui donne aux programmes<br />

complexes une cohérence<br />

globale dans un contexte de maîtrise<br />

des risques.<br />

La préparation de l’avenir est la mission<br />

originelle de la DGA. C’est grâce à<br />

un travail en étroite collaboration avec<br />

les forces qu’elle définit les systèmes<br />

d’armes futurs, détecte les technologies<br />

émergentes, oriente l’effort d’investissement<br />

de recherche, identifie<br />

les capacités technologiques et industrielles<br />

et enfin, développe les coopérations.<br />

À titre d’exemple, pour l’année<br />

2013, en matière d’investissement<br />

pour la recherche, la DGA a :<br />

• investi 708 M€ dans les études amont<br />

(PEA),<br />

• financé 64 projets RAPID (régime<br />

d’appui aux PME pour l’innovation<br />

duale), 39 projets Astrid (Accompagnement<br />

spécifique des travaux de recherche<br />

et d’innovation défense) dont<br />

11 incluant un partenaire PME, 140<br />

thèses dont 4 en codirection franco-britannique,<br />

14 projets FUI (Fonds unique<br />

interministériel).<br />

• s’est impliquée dans la stratégie nationale<br />

de recherche et a poursuivi son<br />

partenariat privilégié avec l’Agence nationale<br />

de la recherche (ANR), contribuant<br />

aux 9 « défis sociétaux » duaux<br />

pilotés par l’ANR et au défi Descartes<br />

sur l’autonomie énergétique.<br />

La DGA a soutenu au total 270 projets<br />

nouveaux en 2013 avec ses partenaires<br />

de la recherche (ANR, OSEO,<br />

DGCIS, Club Recherche Défense).<br />

La DGA apporte une contribution active<br />

au soutien à l’export, à travers l’animation<br />

et la coordination de l’action de<br />

l’État en liaison avec les états-majors<br />

et le réseau diplomatique. À ce titre, la<br />

DGA facilite la mission des industriels<br />

du secteur défense en apportant le<br />

soutien des forces lors de démonstrations<br />

dans les grands salons de<br />

défense. La DGA apporte également<br />

son soutien aux industriels de par sa<br />

grande connaissance de l’environnement<br />

de défense international, dans<br />

les différentes phases des projets.<br />

Dans le cadre de l’équipement des<br />

forces, la DGA est le partenaire incontournable<br />

des armées. Elle garantit la<br />

cohérence des systèmes d’armes, en<br />

assurant la maîtrise d’ouvrage d’environ<br />

80 programmes d’armement<br />

qu’elle accompagne sur l’ensemble du<br />

cycle de vie. Le respect des Dans le<br />

cadre de l’équipement des forces, la<br />

DGA est le partenaire incontournable<br />

des armées. Elle garantit la cohérence<br />

des systèmes d’armes, en assurant la<br />

maîtrise d’ouvrage d’environ 80 programmes<br />

d’armement, qu’elle accompagne<br />

sur l’ensemble du cycle de vie.<br />

Le respect des coûts et des délais est<br />

la contrainte structurante pour l’action<br />

au quotidien des équipes de programme.<br />

Au niveau coopération, la DGA est<br />

un partenaire actif qui œuvre pour<br />

une construction européenne réaliste.<br />

Ainsi de nombreux programmes d’armement<br />

sont en cours ou au stade de<br />

projet avec nos partenaires habituels<br />

que sont le Royaume-Uni, l’Allemagne<br />

et l’Italie. Par ailleurs, le retour de la<br />

France dans le commandement intégré<br />

de l’OTAN en 2009, a naturellement<br />

accéléré l’implication française<br />

dans l’organisation. Au total, la DGA<br />

est en moyenne impliquée chaque année<br />

dans plus de 80 accords internationaux.<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 8


Actualités<br />

Entreprise et Marché<br />

Moyens d’action<br />

La DGA dispose actuellement d’un<br />

effectif de 10 000 personnes répartis<br />

sur 9 centres en province et un établissement<br />

parisien à Bagneux. Elle<br />

apporte une réponse concrète aux problématiques<br />

dont elle a la charge, au<br />

travers d’une fonction technique forte,<br />

disposant d’une parfaite connaissance<br />

des menaces émergentes. La DGA a<br />

mis en place de manière transversale<br />

11 pôles techniques, dont le rôle est<br />

de structurer l’activité d’expertise et<br />

d’essais, et de garantir la sécurité des<br />

biens et des personnes par le biais<br />

d’une autorité technique indépendante<br />

des directions de programme. Elle dispose<br />

également de nouveaux outils et<br />

de nouvelles méthodes pour l’élaboration<br />

et le suivi des marchés d’armement,<br />

dont un modèle de management<br />

de type CMMI (Capability Maturity Model<br />

Integration) pour lequel elle a obtenu<br />

le niveau de capacité 3. La DGA a<br />

également obtenu un renouvellement<br />

de certification ISO 9001 globale pour<br />

l’ensemble de son organisation, associé<br />

à une certification ISO 14001 de<br />

l’ensemble de ses établissements en<br />

termes d’excellence environnementale.<br />

Organisation<br />

L’organisation générale de la DGA<br />

s’appuie sur 7 directions opérationnelles,<br />

parmi lesquelles on compte en<br />

particulier la direction des opérations<br />

(DO) en charge de la conduite des programmes<br />

d’armement toutes armes<br />

confondues, et la direction technique<br />

(DT) qui coiffe l’expertise technique<br />

répartie dans les centres d’expertises<br />

et d’essais. Les anciens noms des<br />

centres (ETBS, ETCA, CEAT…) ont<br />

laissé place à des appellations explicitant<br />

plus clairement les missions et<br />

les domaines d’expertises des établissements,<br />

l’inventaire qui suit propose<br />

un passage en revue rapide des différentes<br />

entités :<br />

• DGA <strong>Essais</strong> de missiles est le leader<br />

européen dans les essais de missiles<br />

au sol et en vol, le domaine d’intervention<br />

couvre l’ensemble des systèmes<br />

d’armes tactiques et stratégiques, les<br />

bombes guidées et les torpilles. DGA<br />

Em est réparti sur 3 sites (Biscarosse<br />

ex CEL, Saint-Médard en Jalles ex<br />

CAEPE, et Toulon l’Iles du Levant),<br />

1015 personnes sont employées sur<br />

l’ensemble des 3 sites. Les missions<br />

principales de DGA Em sont centrées<br />

sur les essais au sol de propulseurs<br />

statiques et dynamiques, les essais de<br />

vieillissement, les essais sous-marins<br />

d’engins immergés, les essais en vol<br />

sur munitions guidées, et l’entrainement<br />

des forces. Les moyens d’essais<br />

de DGA Em sont totalement uniques<br />

depuis les cibles, les systèmes de<br />

lancement, de trajectographie, de télémesure<br />

et d’observation de tout type.<br />

Enfin, c’est DGA Em qui a la charge<br />

du bâtiment Monge utilisé pour le suivi<br />

de trajectographie des missiles stratégiques<br />

en partenariat avec la Marine<br />

Nationale.<br />

• DGA <strong>Essais</strong> de propulseurs (ex<br />

CEPr) est en charge des évaluations<br />

des turbomachines aéronautiques<br />

militaires et civiles. Situé à Saclay en<br />

région parisienne, DGA Ep compte environ<br />

400 personnes. Les missions de<br />

DGA Ep sont centrées sur les tests de<br />

moteurs complets en conditions sol ou<br />

altitude simulée, les composants majeurs<br />

(compresseurs et chambres de<br />

combustion), et les systèmes carburant.<br />

DGA Ep est également en charge<br />

des investigations sur les enregistreurs<br />

de vol. Côté moyens, DGA Ep dispose<br />

de laboratoires complexes, en particulier<br />

pour le conditionnement et l’extraction<br />

d’air qui visent à reproduire au<br />

plus près l’ensemble des conditions de<br />

vol des aéronefs militaires et civils en<br />

pression, débit et température.<br />

• DGA <strong>Essais</strong> en vol (ex CEV) est l’expert<br />

des essais en vol au niveau national<br />

et européen. Co-localisé sur les<br />

bases de Cazaux et d’Istres, DGA Ev<br />

regroupe environ 1000 personnes, et<br />

est en charge de l’expertise et des évaluations<br />

en vol des aéronefs militaires<br />

et civils (avions, hélicoptères, drones),<br />

ainsi que des opérations de qualification<br />

et de certification. DGA Ev assure<br />

également la formation des personnels<br />

navigants d’essais. Pour réaliser<br />

ses mission DGA Ev dispose d’une<br />

gamme importante de porteurs couvrant<br />

un large domaine de vols, ainsi<br />

que d’importants moyens de mesure<br />

embarqués et au sol (trajectographie,<br />

télémesure…).<br />

• DGA Maîtrise de l’information, né du<br />

regroupement du Celar et du LRBA sur<br />

le site de Bruz au sud de Rennes, est<br />

le centre d’expertise et d’essais pour<br />

la maîtrise de l’information, la guerre<br />

électronique et les systèmes de missiles<br />

tactiques et stratégiques. Pour<br />

ce faire, DGA Mi est spécialisé dans<br />

la gestion des problématiques associées<br />

aux systèmes de systèmes (interopérabilité,<br />

optimisation des chaînes<br />

opérationnelles), le recueil et le traitement<br />

de l’information au travers des<br />

réseaux de télécommunication et les<br />

systèmes de transmission, la sécurité<br />

des systèmes d’information et la cyber<br />

défense. DGA Mi est également en<br />

charge de l’expertise sur les capteurs<br />

militaires sensibles électroniques et<br />

optroniques (radars, infra-rouge, inertie,<br />

GPS…) et des performances des<br />

chaînes de navigations des missiles<br />

tactiques et stratégiques. DGA Mi est<br />

un centre qui compte plus de 1 200<br />

personnes et devrait atteindre 1400<br />

personnes à la fin du déploiement du<br />

plan Cyber-Défense à l’horizon 2017.<br />

DGA Mi dispose d’importants moyens<br />

d’essais et de simulation en cohérence<br />

avec ses missions.<br />

• DGA Maîtrise NRBC (ex CEB) à Vert<br />

le Petit en banlieue parisienne est le<br />

centre en charge de la défense radiologique,<br />

biologique et chimique. Ce<br />

centre apporte au MINDEF, et plus<br />

largement aux instances nationales<br />

et internationales, son expertise en<br />

matière d’évaluation biologique et<br />

chimique des risques et des moyens<br />

de détection et de protection associés.<br />

DGA NRBC traite également des systèmes<br />

de décontamination y compris<br />

en radiologique, du durcissement des<br />

systèmes d’armes, de la destruction<br />

d’armes chimiques anciennes, et de la<br />

sécurité vis-à-vis du terrorisme. DGA<br />

NRBC est un centre d’environ 200 per-<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 9


Actualités<br />

Entreprise et Marché<br />

sonnes, qui dispose d’une combinaison<br />

unique en matière de savoir-faire<br />

et d’expérience (chimistes, biologistes,<br />

physiciens, vétérinaires, toxicologues,<br />

médecins, pharmaciens...), ces savoir-faire<br />

sont complétés par un ensemble<br />

de moyens unique sur le plan<br />

national.<br />

• DGA Techniques aéronautiques (ex<br />

CEAT) situé sur le site de Balma en<br />

périphérie de Toulouse est le centre<br />

en charge de la sécurité des aéronefs.<br />

À ce titre, DGA Ta assiste les autorités<br />

nationales et européennes d’un<br />

point de vue technique sur la sécurité<br />

aérienne, et assure la fonction d’autorité<br />

technique de la navigabilité des<br />

aéronefs d’état pour la sécurité des<br />

biens et des personnes (domaines :<br />

AGREM, DRAM, DREP, aéromobilité,<br />

structures, systèmes de cellules).<br />

DGA Ta offre également des capacités<br />

d’essais aux industriels majeurs<br />

français et européens en support des<br />

grands programmes civils et militaires.<br />

Le domaine d’expertise de DGA Ta<br />

couvre : les matériaux et structures,<br />

la vulnérabilité, la survivabilité, l’informatique<br />

embarqué et les systèmes de<br />

cellule, l’aéromobilité, et l’ingénierie<br />

des essais. DGA Ta compte un peu<br />

plus de 600 personnes et dispose de<br />

moyens d’essais très importants couvrant<br />

l’ensemble de la problématique<br />

« structure » aéronautique ainsi que<br />

des moyens en compatibilité électromagnétique<br />

(CEM). DGA Ta est également<br />

en charge du site d’Odeillo dans<br />

les Pyrénées, pour les essais à très<br />

haute température.<br />

• DGA Techniques hydrodynamiques<br />

(Ex BEC) situé au Val de Reuil dans<br />

l’Eure, réalise des essais navals dans<br />

les domaines hydrodynamique et hydroacoustique<br />

pour les bâtiments<br />

de surface, les sous-marins et tout<br />

autre type de plate-forme navale ; Il<br />

conçoit également des propulseurs<br />

pour sous-marins et navires de surface<br />

(résistance et propulsion, tenue<br />

à la mer, manœuvrabilité). DGA Th<br />

compte environ 200 personnes et dispose<br />

de moyens spécifiques comme<br />

le bassin de traction de 600 mètres de<br />

long (B600), utilisé pour les essais de<br />

résistance et d’autopropulsion en eau<br />

calme et sur houle monodirectionnelle.<br />

• DGA Techniques terrestres, né du<br />

regroupement de l’ETBS et de l’ETAS<br />

est co-localisé sur les sites de Bourges<br />

et d’Angers. La mission de DGA TT est<br />

centrée sur la maîtrise des systèmes<br />

du combat terrestre (armes & munitions,<br />

fonction feu, mobilité, sécurité,<br />

survivabilité, protection du combattant,<br />

matériaux de défense, sciences de<br />

l’homme, Robotique, mini-drones…).<br />

DGA TT regroupe environ 800 personnes,<br />

et dispose de moyens uniques<br />

d’essais et de simulation en cohérence<br />

avec l’ensemble de son domaine d’intervention<br />

(champ de tir, laboratoires<br />

pyrotechniques, moyens de mesure<br />

complexe plateformes de simulation,<br />

pistes d’essais de roulage,..). DGA<br />

Techniques terrestres est le centre de<br />

référence national et le partenaire européen<br />

majeur pour l’expertise, la simulation<br />

et les essais dans le domaine<br />

terrestre. DGA TT est le partenaire<br />

incontournable des forces terrestres<br />

et en particulier de la STAT basée à<br />

Satory.<br />

• DGA Techniques navales est issu du<br />

regroupement du CTSN de Toulon et<br />

du GESMA de Brest. Le centre co-localisé<br />

sur les sites historiques a pour<br />

mission principale d’apporter, aux unités<br />

de management de la DGA, et au<br />

Service de soutien de la flotte (SSF),<br />

l’expertise étatique en architecture et<br />

techniques des systèmes navals, capteurs<br />

guidage et navigation, télécommunications,<br />

sciences de l’homme,<br />

protection et architecture techniques<br />

de systèmes de commandement. DGA<br />

Techniques navales regroupe un peu<br />

plus de 500 personnes et dispose<br />

d’un savoir-faire national reconnu et<br />

constitue un partenaire européen majeur<br />

pour l’expertise et les essais sur<br />

les systèmes navals. Par son implantation<br />

sur les deux façades maritimes<br />

(atlantique et méditerranéenne), DGA<br />

Techniques navales bénéficie d’un<br />

environnement privilégié grâce à la<br />

variété des fonds marins adaptés aux<br />

expérimentations.<br />

• DGA Ingénierie des projets (Ip) est<br />

née du regroupement sur le site de<br />

Bagneux (Hauts de Seine) d’un certain<br />

nombre d’entités disséminées en<br />

région parisienne (St Cloud, Issy les<br />

Moulineaux, Arcueil,…). DGA Ip est le<br />

plus gros centre de la DGA avec plus<br />

de 2300 personnes. DGA Ip est chargé<br />

de la mise en place et du pilotage des<br />

équipes pluridisciplinaires de direction<br />

de programmes (EPDP), du maintien<br />

et du développement des méthodes et<br />

compétences techniques, de la réalisation<br />

d’expertises techniques au profit<br />

des programmes en particulier dans le<br />

domaine du maintien en condition opérationnelle<br />

des matériels (MCO), et enfin<br />

de réaliser l’animation des 11 pôles<br />

techniques de la DGA et d’exercer<br />

l’autorité technique dans les différents<br />

secteurs. À l’horizon 2016, une partie<br />

importante des personnels de DGA Ip<br />

ont vocation à rejoindre le site de Balard<br />

à Paris où devrait être regroupés<br />

plus de 9 300 civils et militaires travaillant<br />

pour le ministère de la Défense.<br />

Pascal Lelan DGA Technique terrestres<br />

02 41 93 69 09 / 06 78 18 29 92<br />

pascal.lelan@intradef.gouv.fr<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 10


Actualités<br />

Entreprise et Marché<br />

Congrès Nafems France 2014<br />

Sensibiliser, promouvoir et stimuler<br />

la simulation numérique<br />

Avec soixante-dix sessions et un espace d’exposition réunissant plus de vingt exposants, le congrès Nafems<br />

France qui s’est déroulé à Charenton (Val-de-Marne) s’est imposé comme un rendez-vous incontournable<br />

de la communauté de simulation numérique industrielle. Intitulé « Simulation numérique : moteur de performance<br />

», l’événement avait pour objectif d’aider les entreprises à mieux évaluer l’apport des technologies,<br />

des méthodologies et des applications pour leurs activités d’étude.<br />

Des invités industriels de marque –<br />

Airbus, Areva Wind, Carmat, EDF,<br />

PSA Peugeot Citroën, Valeo… – ont<br />

exprimé leur vision des enjeux auxquels<br />

sont confrontés leurs secteurs<br />

et leurs attentes en matière de simulation.<br />

Des scientifiques de renommée<br />

internationale – Université Polytechnique<br />

de Catalogne, Onera, École<br />

Centrale de Lyon, Université de Liège,<br />

Cemef, Femto-ST…– ont apporté leurs<br />

connaissances approfondies sur les<br />

dernières avancées technologiques et<br />

méthodologiques.<br />

Au cours des sessions thématiques,<br />

entreprises, laboratoires universitaires,<br />

éditeurs de logiciel et sociétés de service<br />

ont pu approfondir des sujets devenus<br />

majeurs pour les industriels : dynamique<br />

des structures non-linéaires,<br />

endommagement des matériaux composites,<br />

propagation des fissures, simulation<br />

multi-corps et multiphysique,<br />

prise en compte des procédés de fabrication,<br />

corrélation essais-calculs<br />

en dynamique des structures, V&V<br />

et simulation robuste… Les thèmes<br />

étaient nombreux et ont donné lieu à<br />

des échanges de qualité. Une session<br />

organisée en partenariat avec Micado<br />

a permis de faire le point sur les enjeux<br />

de la simulation pour les PME/PMI et<br />

Audience d’introduction<br />

Nafems France – Salle des conférences – Introduction<br />

les moyens mis à leur disposition pour<br />

accroître leur compétitivité.<br />

Vision industrielle et enjeux pour<br />

la simulation numérique<br />

La situation à laquelle sont confrontés<br />

les industriels est paradoxale : d’un<br />

côté ils doivent développer des produits<br />

plus innovants, optimisés, intelligents,<br />

connectés, d’un autre coté les règlementations<br />

se durcissent, la concurrence<br />

s’accroît, la pression sur les prix<br />

ne faiblit pas. Dans ce contexte, les<br />

possibilités offertes par la simulation<br />

numérique apportent, on le sait maintenant,<br />

des capacités d’étude et d’analyse<br />

de plus en plus fines et réalistes,<br />

allant jusqu'à permettre la validation<br />

100% numérique de projets. Mais la<br />

complexité croissante des produits et<br />

l’interaction entre les physiques en jeu<br />

(mécanique, thermique, fluide, électronique,<br />

acoustique, multi-corps…)<br />

font émerger de nouveaux besoins en<br />

termes de simulation, comme l’ont illustré<br />

les industriels invités.<br />

« Les constructeurs et équipementiers<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 11


Actualités<br />

Entreprise et Marché<br />

Accueil et salle des exposants<br />

automobiles doivent relever deux défis<br />

majeurs dans les quinze années à venir,<br />

a souligné Guillaume Devauchelle,<br />

vice-président, Innovation et Développement<br />

scientifique, du groupe Valeo.<br />

D’un côté il faut atteindre les objectifs<br />

de réduction d’émissions de CO2 fixés<br />

en moyenne pour chaque constructeur<br />

à horizon 2021 à 95 grammes contre<br />

130 en 2015. Et de ce fait, il faut considérer<br />

un plus large spectre de scénarios<br />

d’usage mixant moteurs thermiques,<br />

hybrides et 100% électriques<br />

dans une approche multiphysique globale<br />

(mécatronique, thermique, vibration…).<br />

De l’autre, la conduite doit devenir<br />

plus ‘’intuitive’’, c’est-à-dire plus<br />

connectée et plus automatisée. Ceci<br />

ouvre de nouveaux champs pour la simulation<br />

comme la prise en compte du<br />

comportement humain ou la gestion du<br />

trafic et de l’urbanisme. »<br />

Le secteur de la production d’énergie<br />

est soumis simultanément à une très<br />

forte demande de performance économique<br />

et à une évolution constante<br />

de la réglementation (sûreté nucléaire<br />

et hydraulique, post Fukushima, émissions<br />

et rejets, continuité écologique,<br />

etc.). « Dans ce contexte, il nous faut<br />

adapter en permanence nos méthodologies<br />

en matière de simulation numérique,<br />

précise Stéphane Andrieux,<br />

directeur scientifique, EDF R&D : prise<br />

en compte des incertitudes pour la<br />

quantification des risques, recalage<br />

des paramètres, surveillance et suivi<br />

en service, montée des modélisations<br />

atomiques et des méthodes particulaires,<br />

insertion de la simulation dans<br />

les systèmes hybrides comme les villes<br />

ou les réseaux de distribution intelligents<br />

(smart grids) ». La présentation<br />

a été illustrée d’exemples concrets et<br />

représentatifs de chaque filière : optimisation<br />

du placement d’hydroliennes,<br />

simulation SPH en hydraulique, étude<br />

du vieillissement sous irradiation nucléaire,<br />

modélisation hydro-environnementale,<br />

tenue d’aéro-réfrigérants<br />

aux vents extrêmes, étude d’explosion<br />

vapeur en puits de cuve.<br />

Autre exemple avec l’éolien offshore.<br />

Christine de Jouëtte, directrice du<br />

Centre technologique éolien en mer<br />

(France), Areva Renouvelables, a<br />

tenu à rappeler que « la stratégie<br />

produit d’Areva se focalise sur une<br />

approche basée sur la compétitivité<br />

et la recherche des plateformes technologiques<br />

les plus optimisées pour<br />

l’offshore fixe ou flottant. Dans ce<br />

contexte, la simulation numérique doit<br />

nous permettre de réduire nos coûts ».<br />

L’exemple présenté porte sur l’étude<br />

du comportement aérodynamique<br />

d’éoliennes de très grande dimension<br />

soumises à des charges de fatigue et<br />

de vent extrême (rafales, tempêtes).<br />

Cette étude a donné lieu au développement<br />

d’un outil pour la modélisation<br />

des charges aérodynamiques en écoulements<br />

instationnaires plus précis que<br />

les méthodes traditionnelles de type<br />

BEM (Blade Element Momentum). Une<br />

réflexion est actuellement en cours<br />

pour la mise au point d’une soufflerie<br />

numérique.<br />

« C’est pour sécuriser la campagne de<br />

tests statiques de l’A350 que le projet<br />

ViFST (Virtual Full Scale) a été lancé,<br />

a expliqué Michel Mahé, Senior Expert<br />

Dynamic Analysis, Airbus. Nous avons<br />

développé un modèle détaillé de la<br />

partie centrale constituée du fuselage<br />

et des deux ailes. Avec au total plus de<br />

68 millions de degrés de liberté, c’est le<br />

plus gros modèle développé à ce jour<br />

dans le cadre du projet. Il nous a permis<br />

de prédire avec plus de précision<br />

le comportement de l’avion et notamment<br />

de mieux appréhender les effets<br />

non-linéaires (grands déplacements,<br />

plasticité contacts…) » a-t-il ajouté.<br />

Dernier exemple dans le secteur du biomédical.<br />

Pour mettre au point le cœur<br />

artificiel biocompatible entièrement implantable,<br />

Carmat a dû relever un certain<br />

nombre de défis technologiques.<br />

Marc Grimmé, directeur technique de<br />

Carmat a précisé que « la prothèse<br />

de cœur, qui ‘’embarque’’ toute l’électronique<br />

est un système complexe<br />

mettant en jeu mécanique, thermique,<br />

dynamique des fluides, chimie, électronique,<br />

logiciel temps réel embarqué,<br />

matériaux biologiques et biocompatibles<br />

». Carmat a travaillé en collaboration<br />

avec la société Inoprod pour la<br />

validation des composants critiques du<br />

système et du fonctionnement du système<br />

dans sa globalité. Au-delà de la<br />

validation, l’objectif est de définir une<br />

conception robuste prenant en compte<br />

les aléas de fabrication et de montage.<br />

Les challenges technologiques à<br />

relever<br />

> Simuler la conception et la fabrication<br />

de structures composites<br />

À la recherche constante de solutions<br />

d’allégement, les composites sont de<br />

plus en plus utilisés dans tout type de<br />

structure. C’est ainsi que le centre de<br />

recherche d’Hutchinson R&D a développé<br />

avec un constructeur automobile<br />

une nouvelle architecture de train avant<br />

automobile en matériau composite et a<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 12


Actualités<br />

Entreprise et Marché<br />

obtenu un gain total d’environ 20 kg.<br />

Mais, s’il est vrai que les matériaux<br />

composites offrent de nouvelles possibilités<br />

de conception intéressantes, ils<br />

présentent des propriétés mécaniques<br />

plus complexes (non-linéarité, anisotropie…)<br />

et sont donc plus difficiles<br />

à modéliser. De nombreuses présentations<br />

ont traité de ce thème ; citons par<br />

exemple des thèmes tels que la modélisation<br />

des structures composites soumis<br />

à des sollicitations de type chocs<br />

hydrodynamiques, la conception de<br />

pièces composites trouées par modélisation<br />

multi-échelles ou encore la prédiction<br />

de l’endommagement et de la<br />

rupture des structures en composites<br />

stratifiés en présence de gradients de<br />

déformation.<br />

> Prendre en compte des phénomènes<br />

multiphysiques complexes<br />

Le challenge quotidien de l’ingénieur<br />

consiste à prédire « avec confiance »<br />

le comportement qu’aura son produit<br />

dans le « monde réel » ; ce terme implique<br />

la prise en compte des phénomènes<br />

physiques dans leur globalité<br />

et des interactions entre les différentes<br />

physiques. Dans ce domaine, les logiciels<br />

multi-physiques ont atteint un<br />

certain niveau de maturité et les applications<br />

industrielles se généralisent.<br />

Toutefois, pour coller encore plus près<br />

de la réalité, les industriels comme les<br />

laboratoires cherchent à étudier des<br />

phénomènes de plus en plus complexes<br />

et extrêmes : coup de bélier,<br />

tempête, fragmentation en dynamique<br />

rapide, effets hydro-élastiques dans<br />

les corps déformables…<br />

> Intégrer les données de simulation<br />

au PLM<br />

Après avoir rappelé que l’on passe 15<br />

à 30% de son temps à rechercher des<br />

données, Serge Ripailles, responsable<br />

de projet PLM, présente la réflexion<br />

menée par PSA Peugeot Citroën sur<br />

le PLM d’entreprise. Cette réflexion a<br />

abouti à la mise en place d’un modèle<br />

de données unique et transversal pour<br />

décrire les informations produit et les<br />

modes d’utilisation associés. Les données<br />

de simulation (maillage, conditions<br />

aux limites, modèles EF, résultats<br />

de calcul, dossier de justification)<br />

sont attachées au produit en suivant la<br />

décomposition RFLP (Requirements,<br />

Functional, Logical, Physical) avec<br />

trois niveaux de configuration : « Attendu<br />

», « Défini », « Réalisé ».<br />

Axes de réflexion<br />

À travers les différentes présentations,<br />

on a pu noter l’émergence massive<br />

des problématiques liées aux matériaux<br />

composites tant d’un point de<br />

vue de la conception que de la fabrication<br />

(plus d’un tiers des sujets y étaient<br />

consacrés). Par ailleurs, l’augmentation<br />

de la complexité des systèmes<br />

et des contraintes règlementaires<br />

impose d’avoir désormais recours à<br />

des approches multidisciplinaires plus<br />

globales mettant en œuvre co-simulation<br />

et intégration système. Enfin,<br />

l’explosion des tailles des modèles et<br />

des paramètres de simulation pose la<br />

nécessaire question de la qualité des<br />

données, de la traçabilité et de la gestion<br />

de ces données au sein du PLM.<br />

Trois thèmes que Nafems France se<br />

propose d’approfondir au cours des<br />

prochains séminaires.<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 13


Mecaclim<br />

Approche<br />

Coefficient de variation du dommage par fatigue -<br />

Approximation de la fonction de Crandall & Mark<br />

L’endommagement par fatigue d’un matériau soumis à un processus de contraintes vibratoires est une<br />

variable aléatoire définie par une moyenne et un coefficient de variation. Dans le cas d’un processus<br />

gaussien à bande étroite, ces deux caractéristiques statistiques dépendent fortement de l’exposant de<br />

la courbe de fatigue du matériau. Dans le coefficient de variation interviennent des fonctions définies<br />

par Crandall & Mark [CRA-63] qui doivent être calculées numériquement. On propose une expression<br />

analytique simple du coefficient de variation du dommage ayant une précision pratiquement suffisante.<br />

Mots-clés<br />

oscillateur mécanique, courbe de fatigue, processus vibratoire gaussien, dommage cumulatif, coefficient de variation<br />

Abstract<br />

The fatigue damage of a material subjected to a stress vibratory process is a random variable defined by a mean and<br />

a coefficient of variation. In case of a narrow band Gaussian process, these two statistical characteristics depend<br />

strongly of the fatigue curve exponent of the material. In the coefficient of variation intervene the functions defined<br />

by Crandall &Mark [CRA-63] that must be calculated numerically. We propose a simple analytical expression for the<br />

coefficient of variation of the damage, having a precision practically sufficient.<br />

Key-words<br />

mechanical oscillator, fatigue curve, Gaussian vibratory process, cumulative damage, coefficient of variation<br />

Motivations<br />

La Commission Meca-Clim de l’ASTE<br />

a entamé la révision des normes Afnor<br />

intitulées « application de la démarche<br />

de personnalisation en environnement<br />

» [GRZ-13]. Dans les documents<br />

de travail concernant le définition et la<br />

mise en œuvre des spectres de dommage<br />

par fatigue (SDF, SFX) la fonction<br />

f1(b) de Crandall & Mark [CRA-63]<br />

est utilisée pour déterminer le coefficient<br />

de variation du dommage cumulé<br />

[AFN-13]. Afin de contourner les difficultés<br />

de calcul numérique de cette<br />

fonction, on propose d’en utiliser une<br />

forme analytique approchée.<br />

Moyenne du dommage<br />

Un oscillateur mécanique linéaire à<br />

un degré de liberté, faiblement amorti<br />

(ξ ≤ 0.05) est soumis à une contrainte<br />

aléatoire de valeur efficace (σrms),<br />

assimilable à un bruit stationnaire<br />

et ergodique, de moyenne nulle. Le<br />

comportement en fatigue du matériau<br />

constitutif est régi par la loi de Basquin<br />

d’exposant (b) et la rupture intervient<br />

lorsque le cumul des endommagements<br />

élémentaires atteint le seuil unitaire<br />

défini par la règle de Miner. Pour<br />

un processus gaussien à bande étroite<br />

dont la densité de probabilité des maxima<br />

positifs est une loi de Rayleigh, le<br />

dommage est engendré par le nombre<br />

de passages par zéro à vitesse positive<br />

(ν 0+ ) durant l’intervalle de temps<br />

( T ) considéré.<br />

Dans ces conditions, l’espérance mathématique<br />

du dommage cumulé s’obtient<br />

sans difficulté à un coefficient<br />

près (qui dépend de la caractéristique<br />

de fatigue du matériau), sous la forme:<br />

Coefficient de variation du dommage<br />

Par contre, la variance du dommage<br />

est plus difficile à obtenir sous une<br />

forme simple, car elle nécessite de calculer<br />

la fonction de covariance et fait<br />

intervenir une fonction hypergéométrique<br />

peu maniable. Une expression<br />

compacte du coefficient de variation<br />

issue de [CRA-63] est la suivante :<br />

Dans laquelle les fonctions<br />

fi=1,2,3(b)correspondent à des développements<br />

en série infinie.<br />

Sous une condition pratiquement satisfaite<br />

dans le cadre des applications :<br />

Les termes dans lesquels interviennent<br />

les fonctions ( f2 , f3 ) sont négligeables<br />

et la relation précédente se réduit au<br />

terme faisant intervenir uniquement la<br />

fonction f1(b):<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 14


Mecaclim<br />

Cette fonction est une série infinie :<br />

Elle ne possède pas de solution analytique<br />

et doit être calculée numériquement<br />

ou tirée de tables incrémentées<br />

suivant les valeurs entières de l’exposant<br />

( b ).<br />

Solution approchée<br />

Dans le cadre des applications pratiques,<br />

l’exposant (b) de la courbe de<br />

fatigue peut varier entre 3 (matériaux<br />

ductiles) et 15 (matériaux fragiles).<br />

Nous avons donc recherché par voie<br />

heuristique, une expression analytique<br />

de précision suffisante (meilleure que<br />

3%) sur l’intervalle b∈[3,15].<br />

On peut remarquer que sur cet intervalle,<br />

la séquence des valeurs croissantes<br />

permet de vérifier grossièrement<br />

la relation suivante :<br />

Elle constitue le noyau d’une première<br />

approximation (le numérateur) que<br />

l’on peut ajuster (le dénominateur) afin<br />

d’obtenir la forme analytique :<br />

Cette expression peut se révéler utile<br />

lorsqu’on ne dispose pas des tables<br />

nécessaires ou lorsque la valeur de b<br />

est différente des valeurs entières pour<br />

lesquelles elles sont construites.<br />

Références<br />

[AFN-13] Projet de norme<br />

AFNOR, «Partie 3: Application<br />

de la démarche de personnalisation<br />

en environnement mécanique<br />

», Pr XP X50-144-3, XA<br />

50-GT 1, N097, 2013-05-13.<br />

[CRA-63] S.H. Crandall, W.D.<br />

Mark, « Random Vibration in<br />

Mechanical Systems », Academic<br />

Press, New York, 1963<br />

[GRZ-13] H. Grzeskowiak,<br />

«Vie de l’ASTE - Communiqué<br />

: Commission Méca-Clim<br />

de l’ASTE », Revue <strong>Essais</strong> &<br />

<strong>Simulations</strong>, N° 113, p. 60-61,<br />

avril 2013<br />

Lambert Pierrat<br />

LJ-Consulting & LJK-LAB, Grenoble,<br />

Expert ASTE<br />

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<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 15


Mesures et Methodes de Mesure<br />

Événement<br />

Enova Paris, l’événement de la mesure de la rentrée<br />

Enova Paris, le salon des technologies en électronique, mesure, vision et optique, se tiendra du 16 au<br />

18 septembre 2014 à Paris Porte de Versailles. L’occasion de découvrir, à travers un dossier spécialement<br />

dédié au contrôle en production, quelles technologies s’offrent aujourd’hui aux industriels.<br />

Plus riche, plus complet, plus innovant,<br />

tels pourraient être les qualificatifs de<br />

l’édition 2014 d’Enova Paris. Plus riche<br />

car un programme de conférences a<br />

été élargi, nécessitant des salles supplémentaires,<br />

et voit une plus forte<br />

participation de nombreuses sociétés<br />

savantes ainsi que la remise de nombreux<br />

prix. Le salon se montre également<br />

plus complet, avec notamment<br />

la présence de tous les grands noms<br />

de la machine de production, le retour<br />

de la sous-traitance électronique, le<br />

doublement de la surface de l’espace<br />

Systèmes embarqués & communicants.<br />

Enfin, cette nouvelle édition<br />

se révèle encore plus innovante avec<br />

la quatrième remise des Trophées<br />

de l’Innovation mais aussi la création<br />

d’EnovaLab, de l’Usine connectée du<br />

futur, sans oublier les services qui ont<br />

fait le succès d’Enova, parmi lesquels<br />

les Business Meetings.<br />

Au total, Enova Paris rassemblera<br />

pas moins de 500 exposants et 6<br />

000 visiteurs, auxquels s’ajoutent une<br />

cinquantaine de partenaires institutionnels,<br />

plus d’une centaine de conférences<br />

scientifiques et techniques,<br />

un congrès sur les fibres optiques, la<br />

tenue conjointe de la quatrième édition<br />

du Forum Radiocoms et plus de<br />

quatre-vingts nouveautés à découvrir<br />

tout au long des trois jours d’événement.<br />

Trophées Enova : 14 innovations<br />

remarquables<br />

Inscrite dans l’ADN du salon, l’innovation<br />

est un des thèmes phares de cette<br />

édition. Vecteur de différenciation sur<br />

un marché concurrentiel, l’innovation<br />

met en lumière un savoir-faire, une<br />

expertise technologique en réponse<br />

aux attentes des clients. Elle témoigne<br />

ainsi de la richesse du tissu industriel<br />

national, des efforts de recherche et<br />

de créativité technologique des expo-<br />

>> RingInspection de Mesure-Systems 3D<br />

Assurer le « zéro défaut »<br />

Afin de contrôler la conformité des formes et les défauts des pièces annulaires<br />

dans le process de production, la machine de contrôle 3D sans<br />

contact RingInspection de MS3D se présente comme une solution adaptée,<br />

avec des temps de cycle d’une seconde et une précision de l’ordre<br />

du micron. Le système s’intègre directement sur la ligne de fabrication et<br />

valide une à une les étapes importantes du processus de production. Une<br />

fois positionnée sur la machine, la pièce est mise en rotation puis les capteurs<br />

laser ligne numérisent l’intégralité de la forme de la pièce. Cette opération<br />

donne lieu à un nuage de millions de points représentant une image<br />

fidèle à la forme dimensionnelle de la pièce. Si une pièce est considérée<br />

comme défectueuse par le système, celle-ci est systématiquement retirée<br />

du processus de production.<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 16


BRIVE<br />

PERIGUEUX<br />

BORDEAUX<br />

AGEN<br />

12<br />

TOULOUSE<br />

MONTPELLIER<br />

BAYONNE<br />

34<br />

12<br />

PERPIGNAN<br />

34<br />

METZ<br />

STRASBOURG<br />

NANCY<br />

COLMAR<br />

DIJON<br />

BESANÇON<br />

ROUEN<br />

DOUAI<br />

AMIENS<br />

PARIS<br />

AMIENS<br />

ROUEN<br />

CAEN<br />

PARIS<br />

CHARTRES<br />

12<br />

12<br />

34<br />

34<br />

BELGIQUE<br />

REIMS<br />

CAEN<br />

RENNES<br />

LE MANS<br />

TOURS<br />

ANGERS<br />

LA ROCHELLLE<br />

ORLEANS<br />

12<br />

34<br />

LYON<br />

12<br />

AVIGNON<br />

MONTPELLIER<br />

34<br />

MARSEILLE<br />

NICE<br />

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ça vous intéresse... ?!<br />

Vos prochains SEPEM en France :<br />

ÉDITION 2<br />

SUD-OUEST (Toulouse)<br />

23 - 24 - 25 septembre 2014<br />

400 Exposants<br />

6 SALONS NATIONAUX EN RÉGIONS<br />

Leaders des salons d’équipementiers<br />

cœur d’usine en France<br />

ÉDITION 5<br />

NORD (Douai)<br />

27 - 28 - 29 janvier 2015<br />

500 Exposants<br />

ÉDITION 4<br />

ÉDITION 4<br />

SUD-EST (Avignon)<br />

02 - 03 - 04 juin 2015<br />

420 Exposants<br />

CENTRE OUEST (Angers)<br />

6 - 7 - 8 octobre 2015<br />

450 Exposants<br />

ZONE EST<br />

11 610 Sites<br />

41 555 Décideurs<br />

ZONE NORD<br />

(+Belgique)<br />

15 663 Sites<br />

62 991 Décideurs<br />

ZONE CENTRE OUEST<br />

13 975 Sites<br />

45 740 Décideurs<br />

Nord-Ouest<br />

ÉDITION 1<br />

NOUVEAU<br />

NORD-OUEST (Rouen)<br />

26 - 27 - 28 janvier 2016<br />

350 Exposants<br />

ÉDITION 6<br />

EST (Colmar)<br />

31 mai - 1er - 2 juin 2016<br />

500 Exposants<br />

ZONE SUD-OUEST<br />

9 800 Sites<br />

39 300 Décideurs<br />

Nord-Ouest<br />

ZONE NORD-OUEST<br />

10 534 Sites<br />

35 615 Décideurs<br />

ZONE SUD-EST<br />

11 886 Sites<br />

34 832 Décideurs<br />

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Mesures et Methodes de Mesure<br />

sants.<br />

>> Système 9110D de PCB<br />

Mesurer l’étalonnage de ses capteurs,<br />

rapidement et simplement<br />

Le système d’étalonnage 9110D de PCB Piezotronics<br />

permet d’effectuer l’étalonnage de ses instruments de<br />

mesure pour s’assurer de leur efficacité et de leur précision<br />

lors de leur utilisation sur site. Cette opération<br />

d’étalonnage étant effectué en moyenne une fois par<br />

an, voire tous les deux ans, il est désormais possible<br />

de la réaliser plus régulièrement sur l’ensemble de son<br />

parc, sans contraintes logistiques, rapidement et de<br />

façon autonome. PCB Piezotronics propose ainsi un<br />

système portable permettant d’étalonner ses capteurs.<br />

Conçu pour les services de maintenance industrielle, ce système est composé<br />

d’un set complet d’étalonnage en une seule valise, sur batterie, « tout<br />

terrain ». Il permet la calibration d’accéléromètres, de transmetteurs 4-20 mA,<br />

de vibroswitches électroniques, de sondes de proximité, des systèmes PLC,<br />

DCS et Scada, des systèmes online et analyseurs. Le paramétrage et l’affichage<br />

des données se font en temps réel et ma mémoire interne est capable<br />

de contenir jusqu’à 500 enregistrements. Le transfert de données s’effectue<br />

par port USB puis l’exploitation des résultats et le certificat d’étalonnage sont<br />

délivrés sous excel.<br />

Le 1er juillet, un jury, composé de journalistes<br />

appartenant aux différents<br />

titres issus la presse professionnelle<br />

et spécialisée (parmi lesquels le magazine<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong>), présidé<br />

par Jean-Jacques Aubert du CEA / Leti,<br />

s’est réuni afin d’examiner les produits<br />

concourant aux trophées de l’innovation<br />

Enova Paris 2014. Quatorze d’entre eux<br />

ont été identifiés comme prétendants au<br />

titre de lauréat, chacun dans sa catégorie.<br />

Cette année, force est de constater,<br />

d’une part, une forte représentation de<br />

PME qui, aux côtés de grands groupes,<br />

conforte le dynamisme du secteur et<br />

d’autre part, des nouveautés de qualité<br />

qui présentent outre des innovations<br />

techniques, des innovations au niveau<br />

applicatif.<br />

L’édition 2014 des Trophées de l’Innovation<br />

récompense les innovations dans<br />

quatre catégories : Qualité/Sécurité/<br />

Réglementation, Green/Environnement,<br />

Productivité/Rentabilité et Technologie<br />

embarquée. Le premier soir du salon,<br />

mardi 16 septembre à 18 heures, les lauréats<br />

aux trophées de l’innovation seront<br />

dévoilés. Organisé dans le cadre d’Enova<br />

Paris, le Forum Radiocoms, le salon<br />

des utilisateurs de moyens de radiocommunication<br />

professionnelle qui regroupe<br />

les sociétés leaders des réseaux professionnels<br />

analogiques et numériques décernera<br />

également un trophée de l’innovation<br />

à un de ses exposants.<br />

Enova Paris : incubateur d’innovations<br />

Pendant le salon, trois autres prix mettront<br />

à l’honneur l’innovation. Les Trophées<br />

Cap’Tronic Organisés par Jessica<br />

France, ils mettent en avant les<br />

projets innovants des PME accompagnées<br />

par Cap’Tronic. L’objectif de ce<br />

programme est d’aider les PME françaises<br />

à améliorer leur compétitivité<br />

grâce à l’intégration de solutions électroniques<br />

et de logiciels embarqués<br />

dans leurs produits. Les nominés aux<br />

catégories Produit à usage du grand<br />

public, Industrie & Services, Eco-Innovation,<br />

Jeune Entreprise seront présentés<br />

sur le salon.<br />

La Vitrine de l’innovation Photonique<br />

mettra quant à elle en valeur l’innovation<br />

française en optique photonique,<br />

et décernera sur le salon ses Photons<br />

aux trois produits reconnus comme les<br />

plus innovants. Enfin, le prix Yves Rocard<br />

Le Prix Yves Rocard de la SFP,<br />

remis sur le salon, récompense un<br />

chercheur, un ingénieur, un technicien,<br />

une équipe ou un duo inventeur-entreprise<br />

à la base d’une innovation et<br />

ayant effectué un transfert de techno-<br />

>> Machine d’inspection de pâte à braser 3D de Metronelec<br />

Des vitesses d’inspection élevées<br />

La nouvelle machine d’inspection de pâte à braser 3D (Sigma X) de la société Metronelec<br />

intègre une nouvelle génération de capteurs RSC VII possédant une largeur de<br />

scan plus importante et limitant ainsi le nombre de passages par carte. Combiné à une<br />

augmentation de la vitesse de chargement, le modèle Sigma X permet d’atteindre des<br />

vitesses d’inspection élevée, avec un gain de 25% par rapport au modèle HS70. La tête<br />

de mesure laser Parmi utilise une méthode dite de triangulation optique afin de mesurer<br />

la hauteur, la surface et le volume de chaque plot. La tête de mesure mise au point, développée<br />

et brevetée par Parmi utilise deux faisceaux laser provenant d’angles opposés<br />

afin d’éliminer complètement l’effet d’ombre lors de l’inspection. La large bande passante<br />

du capteur permet de scanner tout type de carte quelle que soit la colorimétrie de celleci.<br />

L’inspection de la carte est effectuée par le déplacement de la tête sur les axes X et<br />

Y ainsi que l’axe Z, ce qui rend ainsi possible de contrôler le flambage de la carte en<br />

temps réel.<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 18


Mesures et Methodes de Mesure<br />

logie récent et donné lieu à un prototype,<br />

un début de commercialisation…<br />

Et les nominés sont…<br />

Avant de dévoiler les lauréats des Trophées<br />

de l’innovation, mardi soir, voici<br />

les différents nominés, et dont les innovations<br />

présentées à l’occasion d’Enova<br />

méritent d’être mises en lumière :<br />

Catégorie Green/Environnement<br />

Alphanov : Décapage de composites<br />

par laser Dans la cadre du projet Perceval,<br />

Alphanov a mis au point un procédé<br />

laser pour décaper les matériaux<br />

composites des peintures ou films<br />

polymères qui les recouvrent. Contrairement<br />

aux procédés chimiques, celui-ci<br />

est propre et respectueux de<br />

l’environnement et des hommes qui le<br />

mettent en œuvre. Stand B7<br />

Olympus France : Analyseur XRF portable<br />

Xpert. Spécialisée en CND, la<br />

société Olympus a le plaisir de présenter<br />

sa nouvelle gamme Xpert d’analyseurs<br />

à Fluorescence X, portables et<br />

compacts, optimisés pour la vérification<br />

de la conformité des produits de<br />

consommation à la norme RoHS, pour<br />

l’analyse des pots catalytiques et des<br />

métaux précieux. Stand B41<br />

Catégorie Productivité / rentabilité<br />

ACB Engineering : Mobile Sound<br />

Viewer. Le mobile sound Viewer est<br />

un tout nouveau produit qui montre la<br />

zone ou l’objet le plus responsable du<br />

bruit global. Son utilité est de rendre<br />

plus facile plus rapide la localisation<br />

des nuisances sonores en vue de faciliter<br />

leurs réductions efficacement.<br />

Stand C28<br />

Exelsius : PI. Fruit de 20 M€ de R&D<br />

en France, PI se présente selon ses<br />

concepteurs comme une révolution<br />

dans l'inspection 3D de la carte électronique.<br />

Fort d'une programmation<br />

complètement automatisée, et d'une<br />

image 40 fois plus grande que la<br />

concurrence, PI offre une facilité d'utilisation<br />

et une puissance d'analyse inédites.<br />

Stand M58<br />

Mitutoyo : Mach Ko-Ga-Me : concept<br />

de machine à mesurer tridimensionnelle.<br />

Grâce à sa conception modulaire<br />

et son faible encombrement, la<br />

Mach Ko-Ga-Me, rapide et automatisée<br />

est destinée à être intégré comme<br />

un sous-ensemble assurant la fonction<br />

contrôle dimensionnel dans un processus<br />

continu de production ou soit utilisé<br />

en poste de contrôle autonome en<br />

production. Stand G17<br />

Qualité/Sécurité/Règle-<br />

Catégorie<br />

mentation<br />

FT Mesures : Jauge extensométrique.<br />

Extensomètre soudable ou spitable sur<br />

structure béton métallique, traction et<br />

compression plage d'utilisation -40° à<br />

+250°C, telles sont les caractéristiques<br />

de cette jauge étanche à 20 bars. Les<br />

phénomènes externes n’ont pas d’influence<br />

directe sur les performances<br />

du système. Stand J18<br />

PCB Piezotronics : Système d'étalonnage<br />

portable 9110D. Destiné aux<br />

services métrologie ou aux techniciens<br />

de maintenance, le système portable<br />

9110D est un calibrateur de terrain<br />

clé-en-main, durable et robuste, destiné<br />

à délivrer une validation des capteurs<br />

dynamiques directement sur site.<br />

Stand D48<br />

PM Instrumentation : Cartographie de<br />

pression. La technologie capacitive<br />

est utilisée dans le monde entier dans<br />

tous les laboratoires et centres de recherche<br />

de l'industrie du pneumatique.<br />

De très haute technologie, elle permet<br />

de cartographier une empreinte de<br />

pneus de véhicules légers, de poids<br />

lourds, de pneus agricoles et pneus de<br />

motos. Stand J14<br />

Catégorie Technologie embarquée<br />

EMG2 : Fusio II. Cette nouveauté<br />

se présete souss la forme d’un module<br />

programmable à forte compacité<br />

et faible consommation intégrant<br />

un FPGA Spartan-6, de la mémoire<br />

mDDR, de la Flash NOR et 167 capacités<br />

de découplage. Tout ceci est miniaturisé<br />

dans un composant électronique<br />

unique (module 3D) de seulement 19<br />

x 19 mm² entièrement reconfigurable.<br />

Stand L37<br />

FullScale : M1017. Pour accélérer<br />

la mise sur le marché de votre future<br />

caméra thermique, FullScale a conçu<br />

et réalisé un circuit électronique innovant,<br />

le M1017, qui permet d'utiliser le<br />

microbolomètre mégapixels PICO1024<br />

comme un simple capteur d'image visible<br />

(seulement 180mW et 42mm de<br />

côté). Stand K38<br />

Nethis - Newterahertz Imagine Systems<br />

: Teratherm - système d'imagerie<br />

terahertz plein champ. Nethis<br />

développe des systèmes d'imagerie<br />

TéraHertz plein champ dédiés au<br />

contrôle non destructif de grandes<br />

structures et à la mesure de propriétés<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 19


Mesures et Methodes de Mesure<br />

physiques à travers des matériaux isolants<br />

opaques. Stand B7<br />

Concernant les Trophées de l’innovation<br />

du Forum Radiocoms 2014, les<br />

nominés sont :<br />

Etelm : e-TBS. L' e-TBS est une station<br />

de base Tetra directement intégrée<br />

dans un réseau large bande LTE public<br />

ou privé ; elle s'interconnecte au<br />

cœur de réseau LTE via une interface<br />

normalisée S1, comme une station de<br />

base LTE (enodeB). Elle permet d'interconnecter<br />

et d'unifier des flottes de<br />

terminaux et Tetra. Stand N18<br />

Icom France : IP100H, Nouveau système<br />

de communication sans fil (wifi).<br />

Ce dispositif présente l'avantage d'être<br />

totalement exonéré de redevances et<br />

peut fonctionner avec des bornes Wifi<br />

déjà existantes sur site. Possibilité de<br />

disposer d'un système de supervision<br />

informatique. Stand P18<br />

Motorola Solutions : MotoTRBO TM<br />

Anywhere. Il s’agit d’une solution d'application<br />

professionnelle permettant de<br />

connecter un appareil mobile sur réseau<br />

GSM ou WI FI à des utilisateurs<br />

de MotoTRBO. Stand M9<br />

>> Smart Zoom 5, de Zeiss<br />

Rendre accessible la mesure par inspection optique<br />

Le microscope numérique Smart Zoom 5 de Zeiss offre davantage de simplicité<br />

de fonctionnement que bien d’autres modèles. Ainsi, quel que soit<br />

son niveau d’expérience, n’importe quel utilisateur peut procéder à un examen<br />

complet ou à une mesure précise de ses échantillons. Ce microscope<br />

dispose de deux modes d’utilisation : l’observation et les tests de routine,<br />

davantage appliqués à des tâches répétitives. Par ailleurs, l’inspection optique<br />

représente une part très importante dans le contrôle de qualité de<br />

petites pièces produites dans l’industrie. Les personnes responsables du<br />

contrôle ont pourtant peu de temps à consacrer à ce type d’opérations.<br />

Pourtant, elles doivent l’effectuer et pour cela, elles sont contraintes de<br />

maîtriser des équipements et des technologies parfois complexes. Ainsi, elles n’ont pas le temps de comprendre<br />

le fonctionnement et la manière d’utiliser le logiciel correspondant ; d’où la nécessité pour Zeiss de leur fournir des<br />

solutions à la fois adaptées, intuitives et conviviales. C’est le cas du Smart Zoom 5 qui intègre des fonctions et un<br />

logiciel simple d’utilisation. Ce microscope est capable de reproduire automatiquement les opérations d’inspection<br />

répétitives et le logiciel type « smarphone » de rendre accessible cet équipement précis à tous, y compris aux utilisateurs<br />

non formés. Enfin, l’édition des rapports se fait automatiquement.<br />

>> Nouvel alésomètre automatique d’ISP System<br />

De la mesure sans contact pour environnements sévères<br />

L’alésomètre automatique HSID 25 s’appuie sur une technologie de mesure<br />

sans contact réputée pour sa robustesse. Les touches à pression constante<br />

de l’appareil palpent simultanément la surface à mesurer. Le HSID 25 se<br />

montre insensible à l’état de surface, à la pollution résiduelle ainsi qu’aux<br />

caractéristiques optiques (réflectivité, éclairage etc.), contrairement à la<br />

mesure par vision. Grâce à sa tolérance aux désaxements allant jusqu’à<br />

2/10 mm, sa compacité (16 cm de long, 400 grammes) ainsi que son étanchéité<br />

(IP67), cet alésomètre s’installe avec une grande facilité sur un bras<br />

robotisé ou un centre d’usinage. L’appareil mesure in situ et avec une précision<br />

micrométrique y compris en environnement sévère (vibrations importantes,<br />

présence élevée d’huile de coupe…). Enfin, la plage de mesure<br />

s’étend d’1 à 4 mm (en fonction du diamètre nominal inspecté) et atteint 100<br />

mm de profondeur.<br />

Le HSID 25 permet ainsi de mesurer en ligne, à la profondeur souhaitée en une seule et unique opération le diamètre<br />

nominal ainsi que les diamètres inscrits et circonscrits, sans oublier les défauts de forme liés à la circularité. Il<br />

est également possible de mesurer les défauts de perpendicularité et de conicité en effectuant plusieurs mesures à<br />

différentes profondeurs. Le principe de mesure sans contact associe une étanchéité IP67 qui autorise une utilisation<br />

dans un environnement pollué.<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 20


logiciels pour la métrologie<br />

Logiciel de gestion de parc d’instruments de mesure et d’assistance à l’étalonnage<br />

Deca, outil de gestion de la métrologie, multisite<br />

et multilingue.<br />

Application unique pour l’ensemble des sites,<br />

Deca permet :<br />

■ l’uniformisation des procédures ainsi que la cohérence de la politique<br />

qualité,<br />

■ l’uniformisation des indicateurs,<br />

■ la mutualisation des parcs d’instruments de mesure.<br />

Proposée en hébergement, cette solution :<br />

■ permet à vos prestataires de mettre à jour les fiches de vie et de<br />

joindre les documents électroniques,<br />

■ assure une disponibilité immédiate de l’application sur tous les sites,<br />

■ élimine les coûts internes d’infrastructure,<br />

■ élimine les coûts internes d’administration de l’application.<br />

Fonctionnalités :<br />

■ Pilotage de l’activité métrologique :<br />

• Gestion du parc d’instruments.<br />

• Suivi des plannings de contrôles et de charge.<br />

• Identifications des retards.<br />

• Gestion des entrées/sorties avec traçabilité des bons de livraison<br />

et de réception.<br />

• Prévision des budgets.<br />

• Analyse des coûts, des non conformités et des temps.<br />

• Gestion des prestations et des accréditations des fournisseurs.<br />

• Association de tous types de documents numériques.<br />

• Mise à jour par lot des interventions techniques.<br />

• Adaptation des droits utilisateurs selon des profils métiers pour<br />

un accès ciblé aux données et une saisie personnalisée.<br />

■ Fonctions métrologiques avancées :<br />

• Assistance à l’étalonnage.<br />

• Opperet, évaluer et optimiser les périodicités d’étalonnage.<br />

• Calcul d’incertitudes de mesure (ISO 13005 ou GUM).<br />

21 CFR part 11 :<br />

■ Les recommandations de la FDA recensées dans le 21 CFR Part 11<br />

portent sur deux axes principaux :<br />

• L’audit trail dont l’objectif est de conserver la trace de toute modification<br />

survenue sur les données.<br />

• La signature électronique visant à certifier les opérations ou les<br />

documents critiques.<br />

Cette réglementation s’attache à assurer l’authenticité, l’intégrité,<br />

la confidentialité et la pérennité des données.<br />

La certification NF Industrie Pharmaceutique délivrée par l’AFNOR<br />

et renouvelée chaque année vous assure la conformité de Deca ® à<br />

cette réglementation.<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 21<br />

[LES RÉFÉRENCES]<br />

NOUVELLE VERSION<br />

PAR AFNOR CERTIFICATION<br />

LOGICIEL<br />

INDUSTRIE PHARMACEUTIQUE<br />

SUPPORT UTILISATEUR<br />

www.deca.eu<br />

Deca Mail :<br />

■ Appel automatique par e-mail des instruments<br />

à vérifier.<br />

■ Relance des correspondants en cas de retard.<br />

■ Envoi automatique des rapports par messagerie<br />

au format PDF ou Excel.<br />

ALCAN, ALCATEL, ALSTOM, APAVE,<br />

AREVA, ASTRIUM, BOMBARDIER, CEA,<br />

CONTINENTAL, DASSAULT, DGA, E2M, EADS, EDF,<br />

GE ENERGY, FAURECIA, LEGRAND SA, MESSER,<br />

MICHELIN, MITTAL, NEXTER, R.A.T.P., SAFRAN,<br />

SEB, SNCF, TESTO, THALES, VALEO,<br />

WELEDA, ZODIAC …<br />

Tableaux de bord<br />

info@deca.eu<br />

FELIX Informatique • 3, rue de la Moselotte • B.P. 41040 • 54521 LAXOU Cedex • Tél. 03 83 96 23 23


Mesures et Methodes de Mesure<br />

En application<br />

Vérifier avec exactitude la propreté d’un fluide<br />

Partenaire de la SIMMAD depuis 2006, société ayant pour mission d'assurer la disponibilité des aéronefs<br />

du ministère de la Défense, Parker Hannifin a remporté fin 2013 un appel d’offres portant sur<br />

la fourniture et la maintenance de compteurs de particules nouvelle génération. Les armées peuvent<br />

désormais compter sur Parker pour renouveler et homogénéiser leur parc d’équipements, mais aussi<br />

procéder à du comptage en ligne dans l’Armée de l’Air et au sein du SIAÉ (Service Industriel de l’aéronautique),<br />

et ainsi réduire considérablement les temps d’intervention.<br />

80% des défaillances sont dues à la<br />

pollution solide du fluide hydraulique<br />

dans le circuit. Il est donc primordial<br />

de s’assurer que le fluide utilisé est<br />

de qualité optimale et ne provoquera<br />

à aucun moment la détérioration ou la<br />

casse d’un composant. Des normes<br />

récentes imposaient à la SIMMAD de<br />

remettre à niveau le parc actuel pour<br />

le rendre polyvalent et homogène, plus<br />

rapide et plus précis. De plus, des besoins<br />

nouveaux nécessitaient l’acquisition<br />

de matériels neufs et Parker a<br />

su parfaitement répondre à ces deux<br />

impératifs.<br />

La SIMMAD a pour mission d’assurer<br />

la meilleure disponibilité des aéronefs<br />

du ministère de la Défense et d’en<br />

maîtriser les coûts. Responsable du<br />

management global, du Maintien en<br />

Condition Opérationnelle (MCO) des<br />

matériels aéronautiques, ainsi que de<br />

leur maintenance et de la distribution<br />

de pièces de rechange, la SIMMAD a<br />

choisi en 2013 de renouveler son parc<br />

d’équipements. « La société doit assumer<br />

des contraintes liées à la mise en<br />

place d’un nouvel appareil au sein des<br />

armées. C’est là un exercice ardu mais<br />

indispensable car il conditionne la satisfaction<br />

de l’intérêt opérationnel pour<br />

les années à venir » précise le Maître<br />

Baïsset, animateur technique au sein<br />

de la Flotte Matériels d’environnement<br />

aéronautique de la SIMMAD. Au total,<br />

le contrat avec Parker concerne<br />

Compteur de particules Parker - © Parker<br />

la fourniture de 143 compteurs de<br />

particules nouvelle génération et des<br />

prestations de maintenance associées<br />

d’une durée de sept ans.<br />

Des défis de taille à relever<br />

« Le compteur de particules revêt un<br />

caractère pour le moins important dans<br />

la mission opérationnelle de nos unités,<br />

ajoute le Maître Baïsset. Il est utilisé<br />

pour contrôler la qualité des fluides<br />

hydrauliques utilisés dans les aéronefs<br />

exploités par le ministère de la Défense.<br />

Ainsi, le circuit hydraulique est<br />

catégorisé en classe de pollution en<br />

fonction de la teneur en particules. Selon<br />

la classe mesurée, l’aéronef peut<br />

être rendu indisponible au vol. »<br />

Parker Hannifin a ainsi dû répondre à<br />

un cahier des charges aussi riche que<br />

précis. En plus de répondre aux problèmes<br />

d’obsolescence des composants,<br />

la SIMMAD devait relever plusieurs<br />

défis. Le premier était de rendre<br />

son parc homogène. En effet, il existait<br />

auparavant un type de compteur différent<br />

pour l’Armée de Terre, l’Armée de<br />

l’Air et la Marine. Il a donc fallu fournir<br />

un type de compteur unique mais<br />

également capable de réaliser du<br />

comptage sur toutes sortes de fluides<br />

(huiles minérales types OTAN H515/<br />

H537, huiles de synthèse, coolanol,<br />

fluides ester phosphoriques type skydrol,<br />

etc.).<br />

Surtout, la SIMMAD avait besoin de<br />

dispenser les entités pour lesquelles<br />

ce n’était pas encore le cas (Armée de<br />

l’Air et SIAé), d’un procédé de comptage<br />

dit « en ligne » mis en œuvre<br />

directement sur l’aéronef, lorsque le<br />

moteur est en train de tourner. Cependant,<br />

il n’est pas toujours possible de<br />

faire circuler le fluide lors des maintenances,<br />

c’est pourquoi il est parfois<br />

nécessaire de faire du flaconnage ou<br />

Mesure de contamination de fluide hydraulique<br />

sur un banc d’essai - © Parker<br />

d’extraire directement le fluide via une<br />

pompe. « Nous sommes partis d’un<br />

compteur basique pour arriver à une<br />

solution capable de travailler sur tous<br />

types de fluides, y compris les plus<br />

agressifs et à la viscosité très élevée »,<br />

précise Moreno Bandiera, responsable<br />

du service technique au sein de Parker<br />

Hannifin, situé à Contamine-sur-Arve<br />

(Haute-Savoie).<br />

Cet intérêt opérationnel a convaincu la<br />

SIMMAD qui va bénéficier désormais<br />

d’un parc de compteurs de particules<br />

équipés de la technologie Laser – et<br />

non plus Lumière Blanche –, augmentant<br />

ainsi précision et vitesse d’exécution.<br />

« Nous allons ainsi réaliser le<br />

rétrofit d’une quarantaine d’appareils<br />

pour les mettre au même niveau que<br />

les nouveaux », ajoute Sébastien Delhaye,<br />

responsable du laboratoire Filtration<br />

de Parker France, implanté sur<br />

le site de Contamine-sur-Arve.<br />

Un projet ambitieux, tant sur le<br />

plan technologique que sur le plan<br />

des prestations<br />

Au total, Parker Hannifin fournira 143<br />

compteurs à la SIMMAD. Les deux<br />

premiers appareils ont fait l’objet de<br />

prototypes répondant strictement<br />

aux exigences du cahier des charges<br />

avant d’être validés puis installés en<br />

condition réelle. Ces compteurs répondent<br />

à toutes les exigences de la<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 22


Mesures et Methodes de Mesure<br />

SIMMAD : capacité à travailler sur tous<br />

les fluides, faire du comptage en ligne,<br />

ne pas dépasser un poids maximum<br />

de 25 kg, avoir un indice IP supérieur<br />

ou égal à 56, une longueur du flexible<br />

n’excédant pas 2 mètres, disposer<br />

d’un affichage de température directement<br />

sur l’appareil…<br />

Parker a commencé à fournir 35 compteurs<br />

et à remettre à neuf 40 équipements.<br />

« Lorsque nous avons travaillé<br />

sur les anciens appareils du parc<br />

de la SIMMAD, nous avons fait en<br />

sorte d’assurer une entière continuité<br />

de service. Contractuellement, nous<br />

avons un mois pour tout remettre à<br />

niveau sans entraver les activités des<br />

© Photo Armée de terre / GAMSTAT<br />

© Photo Armée de l’air<br />

forces », précise Sébastien Delhaye ;<br />

ce qui suppose d’avoir déjà une parfaite<br />

connaissance à la fois des équipements<br />

mais aussi des bases militaires<br />

sur lesquelles les équipes de<br />

Parker interviennent pour récupérer<br />

les compteurs, les remettre à niveau et<br />

les renvoyer vers les bases militaires<br />

d’origine.<br />

Parker travaillait déjà avec la SIM-<br />

MAD ; en effet en 2006 Parker avait<br />

déjà fourni une centaine de compteurs<br />

de particules tandis que le laboratoire<br />

Filtration, créé spécialement pour l’activité<br />

d’analyse des fluides, assurait les<br />

opérations de maintenance regroupant<br />

l’étalonnage, le suivi, la réparation.<br />

Toutefois, le Maître Baïsset précise<br />

que « même si les contrats antérieurs<br />

avec la SIMMAD ont toujours donné<br />

entière satisfaction, la candidature de<br />

la société Parker a fait l’objet d’une<br />

mise en concurrence conformément<br />

aux règles érigées par le Code des<br />

Marchés Publics (…). Parmi les offres<br />

reçues, celle de Parker a été retenue<br />

car elle a été jugée la plus à même<br />

de répondre aux attentes fortes de<br />

l’État » ; d’autant que la France est de<br />

plus en plus positionnée sur le théâtre<br />

d’opérations si bien que de nombreux<br />

aéronefs se tiennent prêts à être déployés<br />

et doivent absolument disposer<br />

d’un compteur de particules en état de<br />

marche. Le maintien en condition opérationnelle<br />

de ces équipements est un<br />

défi de tous les instants, tant pour la<br />

société Parker que la SIMMAD en raison<br />

du contexte de défense. Une prochaine<br />

livraison de 66 compteurs est<br />

en cours, preuve d’une confiance de la<br />

SIMMAD envers les équipes de Parker<br />

avec qui « de véritables liens de travail<br />

en toute confiance se sont créés au fil<br />

des années », conclut Moreno Bandiera.<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 23


Mesures et Methodes de Mesure<br />

Fiabilité<br />

Estimer la durée de vie des plaquettes d’usinage<br />

à partir de données de dégradation<br />

L’objectif de cet article est de montrer l’intérêt de disposer de données de dégradation pour estimer la<br />

fiabilité des équipements ainsi que leur durée de vie résiduelle. Nous illustrons cela sur des plaquettes<br />

d’usinage pour lesquelles nous disposons de données de dégradation directes et indirectes. A partir<br />

de ces données, nous établissons des modèles de dégradation physique (i.e. l’évolution de l’usure en<br />

dépouille) ainsi que des modèles de représentation de la dégradation des plaquettes par la mesure de<br />

paramètres liés à l’usure (i.e. l’évolution de la puissance consommée). Ces différents modèles sont ensuite<br />

comparés afin de mettre en évidence des corrélations et de proposer un modèle synthétisant ces<br />

données permettant au final de calculer la durée de vie résiduelle d’une plaquette en cours d’usinage.<br />

L’approche proposée est originale puisqu’elle permet le calcul dynamique de la fiabilité et de la durée<br />

de vie résiduelle spécifique à une plaquette à partir de données mesurées en temps réel.<br />

Contexte<br />

La méthode envisagée dans cet article<br />

s’inscrit dans la thématique de l’optimisation<br />

de la maintenance des équipements<br />

mécaniques en vue de réduire<br />

le coût et d’augmenter la disponibilité.<br />

Pour réaliser cet objectif, il est nécessaire<br />

de calculer la fiabilité de ces équipements.<br />

Trois approches permettent<br />

d’obtenir la fiabilité (Letot et al. 2010,<br />

Coble 2010). Celles-ci se distinguent<br />

en fonction de la nature des données<br />

disponibles.<br />

Figure 1. Trois approches pour l'estimation<br />

de la fiabilité<br />

Par ordre de complexité croissante on<br />

recense l’approche statistique basée<br />

sur les temps de défaillances qui, à<br />

partir de temps de défaillance obtenus<br />

par retour d’expérience, ajuste une distribution<br />

de la durée de vie ; cette méthode<br />

présente l’inconvénient de devoir<br />

disposer de temps de défaillance et<br />

n’est pas spécifique à un équipement.<br />

En deuxième position vient l’approche<br />

basée sur le suivi d’un indicateur d’état<br />

de l’équipement qui, à partir du suivi<br />

d’une variable corrélée à la dégradation,<br />

va conditionner le remplacement<br />

de l’équipement en fonction d’un seuil<br />

limite sur cette variable au-delà duquel<br />

l’équipement est considéré comme<br />

défaillant (i.e. un niveau vibratoire trop<br />

élevé). La dernière méthode se base<br />

sur la modélisation physique des défaillances<br />

où l’on cherche à connaître<br />

les mécanismes de dégradation qui<br />

vont mener l’équipement à sa défaillance<br />

(i.e. une usure trop importante).<br />

La différence entre la deuxième et la<br />

troisième approche réside dans le fait<br />

qu’il est plus facile d’avoir accès à une<br />

mesure indirecte de la dégradation (un<br />

indicateur) qu’à la mesure physique de<br />

la dégradation elle-même. Lorsque la<br />

fiabilité est connue, la durée de vie résiduelle<br />

peut alors être estimée ce qui<br />

apporte une information significative<br />

pour optimiser les temps de remplacement.<br />

Protocole expérimental<br />

Les opérations d’usinage ont été réalisées<br />

sur un tour à commande numérique<br />

de modèle SOMAB « Unimab<br />

450 » en utilisant un outil de coupe<br />

DCLNL 2525M 12 portant une plaquette<br />

de carbure de tungstène revêtue<br />

CNMG 1204 085B OR2500 de marque<br />

SAFETY SA. Les essais d’usinage ont<br />

été effectués sans lubrification, pour<br />

30 plaquettes identiques et dans les<br />

conditions de coupe suivantes: une<br />

avance Vf=0,18 mm/Tr, une profondeur<br />

de passe ap=1,5 mm, une vitesse<br />

de coupe Vc=340 m/min et un temps<br />

de contact matière pour chaque passe<br />

d’usinage d’une minute. Le matériau<br />

choisi est un cylindre de fonte grise à<br />

graphite lamellaire FGL250 d’une dureté<br />

de 322 Hv dont les dimensions<br />

sont 220 mm de longueur et 190 mm<br />

de diamètre. L’acquisition des signaux<br />

vibratoires générés en usinage a été<br />

effectuée à l’aide d’un accéléromètre<br />

piézoélectrique triaxial de type 4520<br />

fixé sur la tourelle et relié à un système<br />

d’acquisition et d’analyse Brüel&Kjaer.<br />

Pendant la phase expérimentale, la<br />

mesure des réponses vibratoires issues<br />

d’accéléromètre a été effectuée<br />

sur une bande passante de 6,4 kHz et<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 24


Mesures et Methodes de Mesure<br />

à une fréquence d’échantillonnage de<br />

16,38 kHz. Ces réponses vibratoires<br />

sont enregistrées pendant 70 secondes<br />

dont 60 secondes représentent<br />

la durée de chaque essai d’usinage et<br />

10 secondes représentent le temps<br />

nécessaire pour l’entrée et la sortie de<br />

l’outil par rapport à la pièce à usiner.<br />

Au cours de chaque passe d’usinage,<br />

La valeur moyenne de la puissance<br />

de coupe consommée, a été relevée<br />

en utilisant un Wattmètre installé au<br />

niveau du système d’alimentation du<br />

centre d’usinage. A intervalles réguliers<br />

(après chaque passe d’usinage), l’usinage<br />

est arrêté et le développement<br />

de l’usure sur la plaquette de coupe<br />

est mesuré par un microscope optique<br />

de type LEICA MS5 (grossissement<br />

4x la taille réelle) avec une incertitude<br />

de mesure égale à 2%. L’usure<br />

est quantifiée en termes d’usure en<br />

dépouille (usure due aux frottements<br />

entre la matière à usiner et la face de<br />

coupe de la plaquette utilisée). Une<br />

fois les données collectées, nous nous<br />

intéressons dans un premier temps<br />

à l’usure en dépouille. La norme ISO<br />

3685 spécifie le critère d’usure en dépouille<br />

maximum admissible à 0,3mm.<br />

Pour chaque plaquette, nous recherchons<br />

donc le temps d’atteinte du seuil<br />

d’usure en dépouille ce qui donne donc<br />

30 temps de défaillance à partir desquels<br />

un modèle de fiabilité statistique<br />

peut être estimé (1ère approche).<br />

Ensuite, nous corrélons ce critère<br />

d’usure en dépouille avec les données<br />

de l’évolution de la puissance consommée<br />

afin d’obtenir également des valeurs<br />

de seuil admissible pour ces indicateurs<br />

(2e approche). Finalement<br />

nous présentons un modèle de dégradation<br />

de l’usure en dépouille spécifique<br />

à chaque plaquette en comparant<br />

sa dégradation à la distribution de<br />

dégradation observée sur l’ensemble<br />

des plaquettes à un moment donné, ce<br />

qui revient à considérer un processus<br />

diffusif dont les trajectoires de dégradation<br />

sont supposées être homogène<br />

dans le temps (3e approche). Suite<br />

à cela, nous sommes en mesure de<br />

comparer les différents modèles de fiabilité<br />

obtenus et de calculer la durée de<br />

vie résiduelle dans chaque cas en vue<br />

de choisir le temps de remplacement<br />

optimal des plaquettes.<br />

Données Collectées<br />

La figure 2 reprend l’évolution de<br />

l’usure en dépouille VB [mm] prise<br />

toutes les minutes pour les 30 plaquettes<br />

testées ainsi que l’évolution de<br />

la puissance consommée.<br />

Figure 2. À gauche : Évolution de<br />

l'usure en dépouille. À droite : Évolution<br />

de la puissance au cours du<br />

temps.<br />

Calcul de la fiabilité<br />

La fiabilité R(t) est l’aptitude d’un dispositif<br />

à accomplir une fonction requise<br />

dans des conditions d’utilisation et<br />

pour un intervalle de temps donnés. En<br />

pratique la fiabilité correspond à une<br />

mesure de la probabilité d’être en bon<br />

fonctionnement au cours du temps. Si<br />

T est un temps de défaillance, la fiabilité<br />

R(t) vaut :<br />

R(t) = P(T > t)<br />

La fonction complémentaire de la fiabilité<br />

est la fonction de défaillance F(t)<br />

qui est utilisée lors de l’ajustement de<br />

modèles de fiabilité sur des données<br />

de défaillance.<br />

F(t) = 1 − R(t) = 1 − P(T > t) = P(T ≤ t)<br />

> Fiabilité statistique<br />

Le calcul de la fiabilité statistique se<br />

base sur une collection de temps défaillance<br />

obtenue sur des équipements<br />

identiques ayant fonctionné dans<br />

les mêmes conditions. La démarche<br />

consiste à estimer un estimateur non<br />

paramétrique F(t) en construisant une<br />

fonction de densité cumulée discrète à<br />

partir des temps de défaillance. L’estimateur<br />

non paramétrique utilisé ici est<br />

celui des rangs médians :<br />

Avec i, l’indice de la défaillance, i éme<br />

le temps de la ième défaillance et le<br />

nombre total de défaillances observées.Par<br />

la suite, des modèles de<br />

fiabilités paramétriques sont ajustés<br />

sur l’estimateur non paramétrique.<br />

Les modèles de fiabilité paramétriques<br />

classiquement utilisés sont le modèle<br />

exponentiel, le modèle lognormal, le<br />

modèle de Weibull, les modèles aux<br />

valeurs extrêmes inférieures et supérieures.<br />

Les méthodes d’ajustement de<br />

ces modèles sont soit des méthodes<br />

de régression soit des méthodes de<br />

maximum de vraisemblance. Dans un<br />

premier temps, nous nous sommes<br />

intéressés à la distribution statistique<br />

des temps d’atteinte du seuil à 0,3 mm<br />

pour l’usure en dépouille. La figure 3<br />

présente une comparaison des différents<br />

modèles.<br />

Figure 3. Comparaison des modèles<br />

de fiabilité paramétrique obtenus<br />

La distribution paramétrique qui<br />

s’ajuste le mieux aux données de dé-<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 25


Mesures et Methodes de Mesure<br />

faillance est la distribution des valeurs<br />

extrêmes inférieures. Le coefficient de<br />

détermination obtenu pour ce modèle<br />

est de 0,966 contre 0,932 pour la distribution<br />

lognormale ; les 2 autres modèles<br />

ayant leur coefficient de détermination<br />

inférieur à 0,85. Nous retenons<br />

donc une loi de fiabilité paramétrique<br />

suivant une distribution aux valeurs<br />

extrêmes inférieures dont le paramètre<br />

d’échelle μ = 10,25min et dont le paramètre<br />

de forme σ = 0,85 min.<br />

> Fiabilité basée sur l’indicateur de<br />

dégradation (puissance consommée)<br />

En pratique, l’usure en dépouille d’une<br />

plaquette n’est pas une donnée accessible<br />

puisqu’elle nécessite un arrêt de<br />

la machine pour permettre l’inspection.<br />

Il est donc nécessaire d’avoir accès à<br />

un indicateur indirect de la dégradation.<br />

Dans le cas présent, la puissance<br />

consommée a été relevée toutes les<br />

minutes pour toutes les plaquettes. La<br />

figure 4 (gauche) représente l’évolution<br />

de l’usure en dépouille en fonction<br />

de la puissance consommée pour les<br />

30 plaquettes afin d’établir des corrélations.<br />

La figure 4 (droite) représente la<br />

fonction de fiabilité non paramétrique<br />

du dépassement du seuil VB = 0,3mm<br />

en fonction de la puissance mesurée.<br />

Figure 4. À gauche : Corrélation usure<br />

en dépouille en fonction de la puissance<br />

consommée. À droite : Évolution<br />

de la fiabilité non paramétrique en<br />

fonction de la puissance.<br />

On constate que l’évolution de l’usure<br />

en dépouille en fonction de la puissance<br />

est bruitée et que son évolution<br />

est difficilement prévisible. Un changement<br />

de pente brutal est observé pour<br />

des valeurs de puissance comprise<br />

entre 3kW et 3,2 kW. Cette variation de<br />

pente correspond à une accélération<br />

de l’usure en dépouille. Dans le cas<br />

présent, le seuil d’usure VB = 0,3 mm<br />

est atteint pour une valeur moyenne de<br />

la puissance consommée égale à 3,32<br />

kW et avec un écart type de 0,16 kW.<br />

La figure 5 compare le temps d’atteinte<br />

du seuil d’usure (soit le temps de défaillance<br />

réel obtenu selon la norme<br />

ISO 3685) et le temps d’atteinte du<br />

seuil de puissance fixé à 3,32 kW.<br />

On constate que le temps de remplacement<br />

de la plaquette obtenu à partir<br />

du suivi de la puissance est légèrement<br />

supérieur en moyenne par rapport au<br />

temps de défaillance basé sur l’usure.<br />

Cela provient du choix du pas temporel<br />

de prise de mesure qui a été choisi<br />

; en effet la mesure s’effectuant toute<br />

les minutes, il est logique de retrouver<br />

des erreurs de l’ordre de la minute<br />

entre le temps de défaillance basé sur<br />

l’usure (évolution continue puisqu’il y<br />

a eu interpolation entre les points de<br />

mesure sur l’usure) et le temps de remplacement<br />

basé sur l’évolution discrète<br />

de la puissance. L’erreur moyenne est<br />

de 4,65% avec un minimum de 0,58%<br />

pour la plaquette 15 et un maximum de<br />

10,41% pour la plaquette 4.<br />

Figure 5. Comparaison des temps d’atteinte<br />

du seuil d’usure VB = 0,3 mm<br />

(bâtonnets bleus) avec les temps d’atteinte<br />

du seuil sur la puissance fixé à<br />

3,32 kW (bâtonnets rouges).<br />

> Fiabilité basée sur la dégradation<br />

physique (l’usure en dépouille)<br />

La fiabilité obtenue au paragraphe 4.1<br />

est une fiabilité générale en ceci qu’elle<br />

a été obtenue sur des outils de coupe<br />

supposés parfaitement identiques et<br />

dans des conditions de coupe similaires.<br />

Toutefois, on observe une dispersion<br />

assez importante sur les temps<br />

d’atteinte du seuil fixé. Il est donc justifié<br />

d’avoir une approche qui soit basée<br />

sur l’évolution de la dégradation spécifique<br />

à chaque outil de coupe afin de<br />

tenir compte des hétérogénéités qui<br />

pourraient exister dues à des imperfections<br />

de fabrication de ces outils de<br />

coupe ou dues au processus d’usinage<br />

Références<br />

Coble J.B., 2010, “Merging Data Sources to Predict Remaining Useful Life –<br />

An Automated Method to identify Prognostic Parameters”, Ph.D., University<br />

of Tennessee.<br />

Kious M., Boudraa M., Ouahabi A., Serra R. , 2008 , "Influence of machining<br />

cycle of horizontal milling on the quality of cutting force measurement for the<br />

cutting tool wear monitoring. ", Prod. Eng. Res. Devel. Vol. 2 p. 443-449.<br />

Letot C., Dehombreux P., 2010, « Reliability assessment from degradation<br />

models. », Proceedings of the 3rd International Conference on Accelerated<br />

Life Testing, Clermont Ferrant.<br />

Yallese & al., 2007, “Investigation expérimentale sur l’usure des outils de<br />

coupe en CBN lors du tournage des pieces dures.”, Sciences & technologie<br />

N Vol.26 p.15-22.<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 26


Mesures et Methodes de Mesure<br />

(légères fluctuations des conditions de<br />

coupe). Pour représenter l’usure en<br />

dépouille, certains auteurs ont fait le<br />

choix d’un modèle polynomial d’ordre 3<br />

(Kious et al. 2008, Yallese et al. 2007) ;<br />

toutefois, ce modèle peut mener à des<br />

évolutions de l’usure qui sont négatives<br />

entre les deux points d’inflexion et<br />

n’a donc pas été retenu ici. Le modèle<br />

de dégradation considéré est un modèle<br />

de dégradation non paramétrique<br />

basé sur la distribution de l’usure en<br />

dépouille au cours du temps.<br />

Pour chaque temps d’inspection, on<br />

représente la distribution de l’usure<br />

en dépouille à partir des données<br />

collectées sur les 30 plaquettes. Ensuite,<br />

pour une plaquette donnée, on<br />

observe l’évolution de son usure spécifique<br />

par rapport aux distributions<br />

préalablement obtenue, ce qui permet<br />

de la positionner (i.e. de quantifier<br />

son quantile dans la distribution pour<br />

chaque temps d’inspection). Ensuite,<br />

on considère que l’évolution future<br />

de l’usure sera homogène par rapport<br />

à la distribution ; c'est-à-dire que<br />

le quantile sera idéalement conservé<br />

lors de l’évolution future de l’usure.<br />

On observe que le quantile varie d’une<br />

observation à l’autre ce qui amène à<br />

prendre la valeur moyenne du quantile<br />

et son écart-type sur les 3 dernières<br />

valeurs observées. La figure 6 illustre<br />

la méthodologie.<br />

Figure 6. Principe du suivi de l’usure<br />

en dépouille. L’usure en dépouille spécifique<br />

à une plaquette est située dans<br />

les distributions d’usure en dépouille<br />

préalablement obtenues. La prédiction<br />

de l’usure est réalisée en supposant<br />

que le quantile obtenu sera conservé<br />

pour l’évolution future de l’usure en dépouille<br />

La première étape consiste donc à<br />

calculer les distributions de l’usure en<br />

dépouille pour chaque temps d’inspection.<br />

Un modèle lognormal a été utilisé.<br />

La figure 7 (gauche) reprend l’évolution<br />

de la fonction de densité (pdf)<br />

de l’usure en dépouille obtenue pour<br />

chaque temps.<br />

Figure 7. À gauche : Fonctions de densité<br />

de l’usure en dépouille au cours<br />

du temps. À droite : Localisation de<br />

l’usure en dépouille spécifique à la plaquette<br />

14 par rapport aux distributions<br />

connues en t = 4min, t = 7min et t =<br />

10min.<br />

Par la suite, l’usure en dépouille pour<br />

une plaquette donnée est suivie au<br />

cours du temps (figure 7 droite). Cette<br />

usure est alors localisée par rapport à<br />

la distribution observée sur toutes les<br />

plaquettes ce qui permet de définir le<br />

quantile propre à chaque plaquette au<br />

cours du temps. La figure 8 représente<br />

l’évolution du quantile obtenu pour la<br />

plaquette 14 ainsi que l’évolution de<br />

la moyenne de ce quantile sur les 3<br />

derniers points collectés. On observe<br />

dans le cas de la plaquette 14 que le<br />

quantile tend à se stabiliser sur la valeur<br />

de 0,65 et ce dès la 6e minute.<br />

L’incertitude sur la valeur du quantile<br />

est également prise en compte en calculant<br />

l’écart type sur les 3 derniers<br />

points obtenus.<br />

Figure 8. Évolution du quantile de la<br />

plaquette 14 au cours du temps et<br />

moyenne du quantile sur les 3 derniers<br />

points collectés.<br />

A partir de la valeur moyenne du quantile,<br />

nous pouvons déterminer le temps<br />

moyen d’atteinte du seuil en calculant<br />

la fonction inverse dans la loi de fiabilité<br />

générale obtenue au point 4.1 ainsi<br />

que les bornes inférieure et supérieure<br />

en prenant en compte l’écart type obtenu<br />

sur le quantile. Par exemple, pour la<br />

plaquette 14 après 6 min, le temps de<br />

défaillance moyen prédit est de 10,15<br />

min avec une borne minimale qui vaut<br />

10 min et maximale qui vaut 10,3 min.<br />

On obtient finalement un nouveau profil<br />

de fiabilité spécifique à la plaquette<br />

14 au cours du temps (figure 9). On<br />

observe ainsi que l’incertitude sur le<br />

temps de défaillance qui est initialement<br />

compris dans l’intervalle [9min<br />

13min] d’après la fiabilité générale se<br />

réduit rapidement pour la plaquette 14<br />

pour se situer dans l’intervalle [10min<br />

11min].<br />

Figure 9. Évolution de la fiabilité spécifique<br />

à la plaquette 14. Réduction de l’incertitude<br />

sur le temps de défaillance prédit.<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 27


Mesures et Methodes de Mesure<br />

Finalement la durée de vie résiduelle<br />

moyenne et ses intervalles de<br />

confiance à 95% peuvent être calculés<br />

grâce aux profils de fiabilité obtenus<br />

précédemment (figure 10).<br />

Figure 10. Évolution de la durée de vie<br />

résiduelle spécifique à la plaquette 14<br />

et intervalles de confiance à 95%. En<br />

t = 6 min, la durée de vie résiduelle<br />

est de 4,15 min soit un temps de défaillance<br />

prédit à 10,15 min ; le temps<br />

de défaillance observé est de 10,1 min<br />

soit une erreur de 0,5%.<br />

Le tableau I présente le temps moyen<br />

de défaillance prédit à chaque inspection<br />

pour chaque plaquette ainsi que<br />

l’erreur obtenue par rapport au temps<br />

de défaillance observé. On constate<br />

que l’erreur moyenne obtenue sur<br />

toutes les plaquettes est négative ce<br />

qui montre que la méthode tend à<br />

sous-évaluer le temps de défaillance<br />

et est donc sécuritaire. Par ailleurs,<br />

l’écart type de l’erreur diminue avec le<br />

temps d’inspection. Le comportement<br />

des plaquettes 1 à 5 pour les premières<br />

inspections est peu prévisible<br />

(erreur de -20%). Pour les premiers<br />

temps d’inspection, l’usure spécifique<br />

d’une plaquette est sujette à une plus<br />

grande erreur de mesure et peut fausser<br />

grandement la prédiction de l’évolution<br />

de l’usure (i.e. les plaquettes 1 à<br />

5 ont une usure avancée par rapport<br />

à la moyenne pour les premiers temps<br />

d’inspection mais cette tendance s’inverse<br />

par après). Les plaquettes 15<br />

et 18 ont été écartées de l’étude, leur<br />

comportement s’éloignant significativement<br />

de la tendance moyenne observée.<br />

Tableau 1. Comparaison entre les<br />

temps de défaillances prédits à chaque<br />

inspection et le temps de défaillance<br />

observé pour chaque plaquette<br />

Conclusion<br />

Dans cet article, nous nous sommes<br />

intéressés à la fiabilité des outils de<br />

coupe. La norme ISO 3685 nous a<br />

permis de définir un critère de défaillance<br />

basé sur une usure en dépouille<br />

admissible de 0,3 mm. Un protocole<br />

expérimental a été établi afin d’obtenir<br />

des données d’usure sur 30 plaquettes<br />

de coupe ayant fonctionné dans les<br />

mêmes conditions. Suite à cela, nous<br />

avons proposé trois méthodes d’obtention<br />

de la fiabilité et de la durée de<br />

vie résiduelle. La fiabilité statistique,<br />

bien que facile à obtenir, présente une<br />

trop grande incertitude sur le temps de<br />

défaillance puisqu’elle n’est pas spécifique<br />

à une plaquette donnée. La fiabilité<br />

basée sur le suivi d’une variable<br />

corrélée à la dégradation (i.e. la puissance<br />

consommée) permet d’obtenir<br />

des temps de remplacement des plaquettes<br />

déjà plus spécifiques et sécuritaires.<br />

Il s’agit pour cette méthode d’un<br />

remplacement conditionnel ; on décide<br />

de remplacer l’outil lorsque la puissance<br />

dépasse une valeur moyenne<br />

pour laquelle l’usure en dépouille atteint<br />

son seuil.<br />

Finalement, la dernière méthode proposée<br />

consiste à suivre l’évolution de<br />

l’usure en dépouille pour chaque plaquette<br />

et à prédire son comportement<br />

grâce à un modèle non paramétrique<br />

de distribution de l’usure au cours du<br />

temps. Ce dernier modèle permet d’appliquer<br />

une stratégie de maintenance<br />

prévisionnelle puisqu’il est possible de<br />

prédire le temps de défaillance moyen<br />

d’une plaquette lorsque suffisamment<br />

de mesures de dégradation ont été réalisées.<br />

Les perspectives de ce travail<br />

consistent à prendre en compte les<br />

autres indicateurs de dégradation qui<br />

n’ont pas été traités dans cet article à<br />

savoir le suivi vibratoire et les mesures<br />

de rugosité afin d’établir un modèle<br />

synthétique de prédiction des temps<br />

de défaillance qui prend en compte<br />

les différentes données disponibles.<br />

Par après, un modèle de maintenance<br />

sera développé afin de proposer une<br />

méthodologie permettant de déterminer<br />

le temps de remplacement optimal<br />

d’une plaquette qui minimise un critère<br />

de coût.<br />

Christophe Letot, Pierre Dehombreux<br />

UMONS, Faculté PolytechniqueGénie<br />

Mécanique, Pôle RisquesPlace du<br />

Parc 20, 7000 Mons, Belgique Tél. +32<br />

65 374543, fax +32 65 374545 christophe.letot@umons.ac.be<br />

Roger Serra<br />

ENI Val de LoireLaboratoire de Mécanique<br />

et Rhéologie3 Rue de la chocolaterie,<br />

F-41000 Blois, France Tél. +33<br />

254 558 422 / Fax +33 254 558 441<br />

roger.serra@univ-tours.fr<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 28


<strong>Essais</strong> et Modelisation<br />

Avis d’expert<br />

Comment faire du PLM un levier de performance ?<br />

NextIS, société de conseil en processus métiers et Systèmes d’information, a organisé, fin mai 2014, une<br />

table ronde réunissant des industriels, tous secteurs confondus, dont l’aéronautique, l’automobile, l’énergie,<br />

la défense, le luxe, le transport, les composants, etc., ainsi qu’un représentant du ministère de l’Industrie,<br />

sur le thème du PLM et de la performance. Philippe-Henri Leroy (PSA) est également intervenu pour<br />

faire partager sa vision des processus et de leur importance. Voici un condensé de la table ronde et des<br />

échanges qui en sont ressortis.<br />

De quelle performance parle-t-on ?<br />

Les problématiques et les succès sont<br />

souvent ramenés à l’outil, alors qu’il<br />

faudrait parler, en premier lieu, des<br />

performances de l’entreprise et de retour<br />

sur investissement. Pour ce faire,<br />

il faut intégrer la chaine de valeur et<br />

s’aligner sur la stratégie de l’entreprise<br />

(coût, time to market, qualité, etc.).<br />

Pour NextIS, toute démarche PLM mérite<br />

une approche en trois axes : une<br />

approche structurée pour le pilotage de<br />

la Performance, une approche BPM<br />

(Business Process Management),<br />

comme base de tout travail sérieux sur<br />

la performance, le tout supporté par<br />

une démarche de Transformation pour<br />

appuyer l’ensemble et piloter la phase<br />

de déploiement<br />

Un cadre méthodologique :<br />

Une feuille de route stratégique (FRS)<br />

qui définira précisément la méthodologie<br />

à suivre pour réaliser les objectifs<br />

fixés, qui tiendra compte des moyens<br />

et des ressources qui permettront de<br />

converger vers le résultat final. A tout<br />

moment du projet, il faudra mettre en<br />

place une recherche systématique des<br />

liens de cause à effet entre les divers<br />

objectifs dans l’entreprise.<br />

L’apport déterminant d’une approche<br />

processus (BPM)<br />

Mettre en place une solution PLM nécessite<br />

la mise en cohérence des processus.<br />

Il est donc nécessaire de les<br />

écrire. « L’écriture des processus est<br />

le seul moyen de garantir la compréhension<br />

sans équivoque des besoins<br />

métiers, explique Fayçal Mehrez,<br />

manager et associé de NextIS. Nous<br />

pourrions dire en résumé : Pas de<br />

performance sans objectifs clairement<br />

affichés ; Pas d’objectifs sans indicateurs<br />

et mesures objectives et fiables<br />

; Pas de mesures fiables sans processus<br />

clairement établis, partagés et utilisés.<br />

»<br />

Performance des processus.<br />

C’est Philippe-Henri Leroy (PSA) invité<br />

de NextIS à cette table ronde, qui est<br />

venu témoigner de l’importance de la<br />

structuration des processus. « Il n’y a<br />

pas de performance sans processus<br />

bien établis », déclare-t-il en introduction.<br />

Le sujet est lancé…<br />

Le processus doit être considéré<br />

comme un produit, avec son propre<br />

cycle de vie : il est composé d’un propriétaire<br />

et d’un livrable ; il adresse une<br />

chaine de valeur et doit s’adapter au<br />

projet et aux process. Il faut, comme<br />

dans tout cycle de vie, concevoir, analyser,<br />

tester et mettre en production ou<br />

recycler un processus. Voilà pour la<br />

définition de base.<br />

Et Philippe-Henri Leroy d’ajouter : « le<br />

PLM prend en compte les livrables, il<br />

faut donc lui associer les processus.<br />

Pour ce faire, il faut définir un langage<br />

de modélisation standard utilisé et<br />

partagé par tous ; un référentiel com-<br />

PLM : de quoi parle-t-on exactement ?<br />

Cycle de vie et création de valeur par le management des processus d’entreprise…<br />

Un vaste sujet auquel doit répondre une démarche de PLM<br />

(Product Lifecycle Management) ou, en langue de Molière, « gestion du<br />

cycle de vie du produit ». Sa mission : réunir toutes les informations intervenant<br />

tout au long de la vie d’un produit, et pas seulement lors de son développement<br />

ou sa mise sur le marché du produit, mais au-delà, jusqu’au<br />

recyclage ; le but étant de pouvoir assurer le suivi complet du produit, en<br />

suivant les cinq étapes clé de son cycle de vie : le développement (de<br />

l’idée au produit fini), le lancement, la croissance, la maturité et le déclin,<br />

jusqu’à son recyclage et sa destruction.<br />

En connexion avec d’autres systèmes d’informations affectés au service<br />

de maintenance par exemple (avec la GMAO – gestion de la maintenance<br />

assistée par ordinateur) ou l’atelier de production (avec la GPAO) ou encore<br />

le bureau d’étude, le bureau des méthodes, le service Achats, Facturation<br />

et relation clients, SAV etc., et plus globalement avec l’ERP de<br />

l’entreprise, le PLM permet à l’information de circuler plus facilement entre<br />

les différentes entités et services qui interviennent sur le produit. Véritable<br />

atout concurrentiel, il permet d’identifier les points à améliorer, en particulier<br />

en termes de qualité du produit, et de réduire les temps de développement<br />

et de time to market. De même, l’information étant rationnalisée et sa<br />

circulation optimisée, cela facilite les recherches et l’historique concernant<br />

les différentes étapes de développement du produit, générant ainsi des<br />

gains de temps considérables.<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 29


<strong>Essais</strong> et Modelisation<br />

mun. Le PLM ne pourra contribuer à la<br />

performance de l’entreprise que si l’on<br />

prend en compte, à la fois, la performance<br />

de l’outil et celle du processus.<br />

La gestion des deux parallèlement<br />

et de façon alignée est gage de cohérence,<br />

une condition sine qua non<br />

pour une démarche PLM aboutie. On<br />

manage le cycle de vie produit/service<br />

avec le PLM, on manage le cycle de<br />

vie des processus avec le BPM. »<br />

Marché<br />

Siemens toujours leader du classement de CIMdata<br />

Le classement dédié aux logiciels PLM voit Siemens se maintenir dans le peloton de tête pour la 13e<br />

année consécutive. L’un des leaders du PLM est également bien présent dans le cercle fermé des instigateurs<br />

de l’usine numérique ; et l’acquisition récente de LMS n’y est pas pour rien.<br />

Siemens a annoncé avoir été reconnu<br />

par CIMdata Inc., société de conseil<br />

et de recherche en management de<br />

premier plan, en tant que leader du<br />

marché des solutions de gestion collaborative<br />

du cycle de vie des produits<br />

(cPDm) pour la 13e année consécutive<br />

et du marché de l’usine numérique<br />

pour la neuvième année consécutive.<br />

En outre, suite à l'extension de sa<br />

gamme de logiciels de simulation et<br />

d'analyse, et à l'acquisition de LMS,<br />

Siemens est passé à la quatrième<br />

place du classement des leaders de ce<br />

marché, gagnant six places par rapport<br />

au classement de 2013. Annoncées au<br />

début du mois, les conclusions du rapport<br />

de CIMdata sont fondées sur des<br />

données et une analyse approfondies<br />

du marché mondial des solutions PLM.<br />

Un classement de bon augure pour<br />

l’éditeur<br />

Siemens PLM Software a été classé<br />

dans la catégorie cPDm de CIMdata<br />

avec son offre Teamcenter, portfolio<br />

de logiciels de gestion numérique<br />

du cycle de vie des produits les plus<br />

utilisés dans le monde, tandis que<br />

les logiciels Tecnomatix sont les plus<br />

utilisés sur le marché de la fabrication<br />

numérique. Siemens répond aux<br />

besoins du marché de la simulation<br />

et de l'analyse avec un riche portfolio<br />

d'offres CAE incluant les modules des<br />

logiciels NX, NX Nastran, Femap ainsi<br />

que l’ensemble de l’offre LMS, qui<br />

intègrent des solutions de simulation<br />

mécatronique avancée intégrant la<br />

modélisation et les tests dans le processus<br />

de développement des produits.<br />

« Comme l'indique notre rapport,<br />

Siemens affirme son leadership sur<br />

les marchés du cPDm et de l’usine<br />

numérique, et a considérablement<br />

augmenté son chiffre d'affaires sur le<br />

marché de la simulation et de l'analyse,<br />

a déclaré Peter Bilello, président<br />

de CIMdata. Ce classement est de bon<br />

augure pour Siemens, car ces trois catégories<br />

essentielles continuent de se<br />

développer et nos données indiquent<br />

que cette croissance va se poursuivre<br />

dans l'avenir ».<br />

Des prévisions de croissance pour<br />

les quatre années à venir<br />

Pour les cinq prochaines années,<br />

CIMdata estime que l'ensemble du<br />

marché du cPDm devrait atteindre un<br />

taux de croissance annuel moyen de<br />

5,2 % et représenter environ 6,2 milliards<br />

de dollars en 2018, sur la base<br />

de tous les investissements réalisés<br />

dans les logiciels et les services. Selon<br />

CIMdata, le marché de l’usine numérique<br />

devrait également continuer à<br />

se développer à un taux de croissance<br />

annuel moyen de 4,1 % sur cinq ans,<br />

tandis que le marché de la simulation<br />

et de l'analyse devrait se développer<br />

à un rythme soutenu et régulier, avec<br />

un taux de croissance annuel moyen<br />

de près de 8 % sur cinq ans. Globalement,<br />

le marché des solutions PLM<br />

standard devrait continuer à se développer<br />

en constituant un secteur d'investissement<br />

stratégique pour les entreprises,<br />

CIMdata prévoyant un taux<br />

de croissance annuel moyen de plus<br />

de 4,8 % sur cinq ans.<br />

« Siemens continue de renforcer son<br />

leadership dans les domaines clés du<br />

PLM, y compris sur les segments du<br />

cPDm et de l’usine numérique », déclare<br />

Chuck Grindstaff, président-directeur<br />

général de Siemens PLM Software.<br />

« Ce nouveau rapport illustre<br />

notre engagement à conserver notre<br />

leadership dans ces deux domaines,<br />

qui sont très importants pour nos<br />

clients. En outre, en nous concentrant<br />

sur la simulation et l'analyse, nous<br />

aiderons nos clients à faire face à la<br />

complexité croissante des nouveaux<br />

produits de demain », ajoute-t-il<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 30


<strong>Essais</strong> et Modelisation<br />

Tendances marché<br />

Aller plus loin que le PLM avec le SLM<br />

Le domaine d’application du PLM peut être encore plus largement étendu. On parle alors de SLM, concept<br />

plus récent et qui, en complément du PLM, intègre la notion de services. Une manière de voir plus loin et<br />

de se montrer encore plus proche des besoins de clients de plus en plus exigeants sur la qualité du support<br />

technique.<br />

Les données relatives à la partie technique d’un produit sont indispensables pour assurer son suivi<br />

© Stahlwille<br />

Il n’est plus possible aujourd’hui de<br />

raisonner à court terme. D’une part<br />

parce que la loi nous y oblige, pour<br />

certains produits en tout cas, en particulier<br />

ceux qui génèrent d’importants<br />

volumes et impactent de fait l’environnement<br />

naturel et social. D’autre part<br />

– et cela concerne davantage de biens<br />

de consommation – parce que le cycle<br />

d’un produit et sa maîtrise tout au long<br />

de sa vie offrent un avantage concurrentiel.<br />

C’est le rôle du Product Lifecycle<br />

Management (PLM). Cet avantage<br />

peut se révéler dans la qualité du<br />

produit, sa durée dans le temps, son<br />

image à court ou long terme mais également<br />

pour l’entreprise qui, en maîtrisant<br />

la vie d’un produit dès sa conception,<br />

est en mesure de mieux répondre<br />

aux attentes de ses clients les plus exigeants.<br />

Mais cette compétence passe<br />

inévitablement par une maîtrise de sa<br />

gestion de données. La densité d’informations<br />

à la fois toujours plus nombreuses<br />

et plus complexes nécessite<br />

des outils performants et des solutions<br />

PLM capables d’absorber et de digérer<br />

ces volumes d’informations de plus en<br />

plus gigantesques et fragmentés, du<br />

fait notamment de leurs origines diverses<br />

; celles-ci émanent en effet des<br />

bureaux d’études par exemple, de la<br />

production sans oublier le marketing,<br />

la maintenance et le service commercial,<br />

le support technique et le service<br />

après-vente.<br />

Sur ce dernier point, force est de<br />

constater que depuis quelques années,<br />

le service après-vente et la<br />

maintenance des produits sont à leur<br />

tour au cœur de cette problématique<br />

de gestion de la durée de vie. À la gestion<br />

de données, déjà lourde, s’ajoute<br />

celle ainsi celle du service et consiste<br />

à intégrer une étape supplémentaire,<br />

qui fait suite à la livraison du produit<br />

sur le marché. C’est au tour du SLM<br />

(Service Lifecycle Management). Son<br />

objectif : permettre d’aller plus loin<br />

dans la démarche PLM et atteindre un<br />

niveau de services client optimal afin<br />

de répondre aux attentes de clients en<br />

matière de service après-vente. Mais<br />

attention. Aller plus loin dans la démarche<br />

signifie aussi la complexifier et<br />

disposer d’outils à la fois performants,<br />

conviviaux, mais pas seulement ; car<br />

aborder le terrain de la technique peut<br />

se révéler être un véritable casse-tête<br />

qui n’aura d’autres conséquences pour<br />

le système que celle ne pas être utilisé.<br />

Ces données relatives à la partie<br />

technique d’un produit sont en effet<br />

indispensables pour assurer son suivi<br />

et les interventions qu’il nécessitera<br />

tout au long de son existence. Ainsi<br />

vont s’accumuler des informations issues<br />

de la conception, du design, de la<br />

production, des services commerciaux<br />

(dont les facturations, des conditions<br />

de garantie ou encore de tarification<br />

etc.) et de la maintenance, lesquelles<br />

s’ajouteront en fonction du nombre de<br />

révision, d’opérations de suivi, de réparation<br />

voire de re-conception.<br />

Comment faire face à un tel volume<br />

d’information ? Certes, le management<br />

humain jouera un rôle incontestable<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 31


<strong>Essais</strong> et Modelisation<br />

dans l’entreprise, dans la conduite du<br />

changement notamment. Encore fautil<br />

que les fournisseurs de technologies<br />

soient en mesure d’offrir des solutions<br />

adaptées aux besoins des industriels,<br />

faciles à mettre en œuvre et à exploiter<br />

en convergeant l’ensemble des informations<br />

vers un seul et même système.<br />

L’objectif étant pour le fabricant<br />

d’avoir accès aux bonnes informations<br />

(en adéquation avec un problème<br />

posé ou une demande particulière),<br />

au moment où il en a besoin, qu’elles<br />

concernent l’historique du produit, de<br />

la conception à la maintenance, la<br />

disponibilité des pièces et l’endroit où<br />

elles sont stockées.<br />

Mieux répondre aux attentes des clients passe inévitablement par une maîtrise de sa gestion de données<br />

© Asco industries<br />

Un domaine où émergent de nouvelles<br />

solutions<br />

Spécialisé dans les solutions de Product<br />

et Service Lifecycle Management,<br />

l’éditeur américain PTC commercialise<br />

un système SLM pour des produits et<br />

services intelligents, interconnectés et<br />

efficaces. Ce système interconnecte<br />

les personnes, les processus et les<br />

informations pour améliorer les services<br />

et la satisfaction des clients.<br />

Aujourd’hui en effet, les industriels,<br />

les opérateurs et les fournisseurs de<br />

services font évoluer leur modèle économique<br />

pour offrir une plus grande<br />

valeur ajoutée à leurs clients et améliorer<br />

la rentabilité du chiffre d'affaires<br />

issu des services. Pour concrétiser ces<br />

offres, PTC a lancé sur le marché un<br />

système de gestion du cycle de vie des<br />

services (SLM) PTC pour la gestion<br />

intelligente des produits. Ce système<br />

propose un ensemble intégré de solutions<br />

innovantes qui permettent aux<br />

directeurs des services de planifier,<br />

d'exécuter et d'optimiser les services<br />

au sein de l'ensemble de leur réseau,<br />

quels que soient la tâche, le rôle, le<br />

produit ou la zone géographique.<br />

La nouvelle ère de l'Internet des objets<br />

(IoT) est synonyme de nouveaux défis<br />

complexes à relever pour les industriels<br />

et les fournisseurs de services<br />

afin de rester compétitifs et améliorer<br />

la rentabilité au sein d'un monde<br />

connecté. Que ce soit au bureau,<br />

à l'usine, à la maison, en voiture, en<br />

avion, en bateau, en ville ou à la campagne,<br />

chaque appareil pourrait poten-<br />

PTC conforte sa position de leader dans le SLM,<br />

renforcée il y a un an par l’acquisition d’Enigma<br />

Avec le rachat il y a un peu plus d’un an de la société Enigma dont les logiciels agrègent et fournissent des<br />

contenus techniques aux services après-vente, PTC a pu élargir son portefeuille de solutions d'informations<br />

techniques.<br />

Le rachat d’Enigma intervenu en juillet 2013 a permis à PTC de compléter son portefeuille de solutions de gestion<br />

du cycle de vie des services (SLM, Service Lifecycle Management) et de conforter ainsi sa position de leader sur<br />

ce marché. Ainsi, outre des fonctionnalités importantes de création, d'illustration, de publication et de diffusion<br />

d'informations centrées sur le produit, PTC est, depuis cette opération, en mesure de collecter, numériser et transmettre<br />

des contenus techniques créés hors de la plate-forme PTC. Les produits Enigma agrègent intelligemment<br />

des contenus de service très différents dans de nombreux formats, puis adaptent et transmettent ces contenus aux<br />

techniciens et utilisateurs ayant besoin de données techniques et d'informations sur les pièces pour exploiter et entretenir<br />

des produits complexes. En intégrant la technologie d'Enigma dans ses solutions d'informations techniques<br />

et d'informations sur les pièces détachées, PTC permet désormais aux services après-vente de disposer d'un large<br />

éventail de contenus techniques. Enfin, grâce à cette acquisition, PTC a consolidé son implantation en Israël qui a<br />

dans le même temps renforcé son centre de R&D installé dans le pays.<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 32


<strong>Essais</strong> et Modelisation<br />

tiellement être connecté, ce qui change<br />

radicalement la manière dont les produits<br />

et les systèmes sont créés, exploités<br />

et entretenus. Les données en<br />

temps réel capturées doivent être analysées<br />

et partagées par les sociétés au<br />

sein de l'entreprise et de l'écosystème<br />

étendus afin d'assurer au produit des<br />

performances, une utilisation, une durabilité<br />

et une fiabilité optimales. « PTC<br />

a toujours proposé des solutions innovantes<br />

à l'industrie manufacturière,<br />

déclare Sumair Dutta, Chief Customer<br />

Officer chez The Service Council. Le<br />

système SLM de PTC offre une vision<br />

complète du cycle de vie des services,<br />

qui permet aux OEM et aux fournisseurs<br />

de services d'optimiser les performances<br />

en termes de produit et de<br />

service en complément des fonctionnalités<br />

améliorées de conception et de<br />

fabrication. »<br />

Historiquement, les équipes du service<br />

après-vente se sont concentrées<br />

sur l'optimisation des processus fonctionnels,<br />

tels que le support client, la<br />

gestion et la tarification des pièces, les<br />

informations techniques et relatives<br />

aux pièces, la gestion de la garantie,<br />

etc. Cette approche déconnectée et<br />

cloisonnée a empêché les entreprises<br />

de satisfaire la demande accrue des<br />

clients et du marché en matière de produits<br />

et services. Le système SLM allié<br />

à la grande expertise de PTC dans le<br />

domaine offre aux entreprises la technologie<br />

et les bonnes pratiques nécessaires<br />

pour rester compétitives dans<br />

un monde connecté, où l'excellence<br />

des services est devenue incontournable<br />

et dans lequel il est nécessaire<br />

de se démarquer de la concurrence.<br />

Ce système a été conçu spécialement<br />

pour la gestion intelligente des produits<br />

et propose une vision unique du service<br />

: il résout les complexités et la dynamique<br />

d'un écosystème de services<br />

mondial en optimisant chaque opération<br />

du personnel de service sur le lieu<br />

d'intervention et du responsable du<br />

service, avec des prises de décisions<br />

en temps réel. Avec le système SLM<br />

de PTC, les clients peuvent désormais<br />

entretenir et analyser l'historique d'un<br />

service et d'un produit, qu'il s'agisse<br />

d'une seule ou de plusieurs unités ou<br />

de l'ensemble des produits installés<br />

dans le but d'améliorer de manière<br />

continue les produits et les services.<br />

Olivier Guillon<br />

Matériaux<br />

Dependence of the coefficient of thermal expansion<br />

(CTE) of reinforced resins on thermal cycles<br />

The thermal expansion behavior of composite materials is studied using a resin reinforced with carbon<br />

nano-tubes and another resin filled with aluminum particles. Specific behaviors are noticed, with a dependence<br />

of the thermal expansion coefficient (CTE) on heating/cooling conditions. Also, a stabilization of the<br />

CTE value is observed for the first cycles. The CTE modification during the first cycles is interpreted by the<br />

relaxation of internal stresses induced during material processing, while the dependence of the CTE value<br />

with heating/cooling parameters results from the accumulation of internal stresses which don’t have enough<br />

time to relax during the test cycles.<br />

Experimental<br />

Materials tested<br />

Two reinforced resins are studied. The<br />

first one is reinforced with carbone nano-tubes<br />

(an analytical method predicted<br />

a CTE below 1. 10-6 K-1 for carbon<br />

nano-tubes [3]). The second one<br />

is a resin filled with aluminum particles<br />

(CTE of pure aluminum is about 24.<br />

10-6 K-1). Rectangular plates (150 mm<br />

in length, 30 mm in width and 4 mm<br />

in thickness) are used for the thermal<br />

test.<br />

Test bench description<br />

The sample to be tested is placed<br />

between two zerodur supports (see<br />

Figure 1): One support is fixed and the<br />

other one follows the sample expansion.<br />

Each support holds a mirror so<br />

that the expansion can be measured<br />

thanks to a LASER interferometer. The<br />

principle is shown in Figure 1 and an<br />

overall diagram of the bench is presented<br />

in Figure 2.<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 33


<strong>Essais</strong> et Modelisation<br />

Keywords<br />

Thermal expansion – Composites<br />

– Reinforced resin<br />

– Carbon nano-tubes – CTE<br />

evolutions – Thermal internal<br />

stress<br />

Mots clés<br />

Dilatation thermique – Composites<br />

– Résine renforcée –<br />

nano-tubes de carbone – évolutions<br />

du CTE – Contraintes<br />

thermiques internes<br />

A vacuum system consisting of a primary<br />

pump and a turbomolecular<br />

pump maintains a pressure as low as<br />

10-5 mbar, which is representative of<br />

orbital conditions.<br />

To control the sample temperature and<br />

its homogeneity, a radiative copper box<br />

is placed around the sample. The temperature<br />

is controlled by a cooling fluid.<br />

Several thermal cycles are applied for<br />

the CTE estimation (Figure 3)<br />

Differential scanning calorimetry<br />

Thermal expansion may also be due<br />

to molecular rearrangements during<br />

phase transitions which induce volume<br />

variations in the bulk material. In order<br />

to evidence such transitions, materials<br />

were also analyzed by DSC (Mettler<br />

STAR SW 9.01).<br />

Résumé<br />

L’évolution de la dilatation thermique de matériaux composites est étudiée<br />

sur une résine renforcée avec des nano-tubes de carbone et une<br />

autre résine chargée avec des particules d'aluminium. On remarque des<br />

comportements particuliers avec une dépendance du coefficient de dilatation<br />

thermique (CTE) selon les conditions de chauffe ou de refroidissement.<br />

Une stabilisation de la valeur de CTE est également observée<br />

au cours des premiers cycles. La variation du CTE pendant les premiers<br />

cycles est interprétée comme la relaxation des tensions internes induites<br />

lors du traitement du matériau, tandis que la dépendance de la valeur<br />

du CTE avec les paramètres de chauffe ou de refroidissement résulte<br />

de l'accumulation des tensions internes qui n'ont pas assez de temps de<br />

relaxer pendant les cycles d'essai.<br />

Introduction<br />

Materials for satellites in the space industry are subject to a very wide<br />

temperature range (typically from –20°C to +100°C, and more). Under<br />

vacuum, outgassing phenomena may also take place which can modify<br />

the material behavior. Furthermore, some devices mounted on satellites<br />

must keep an extreme geometric stability (e.g. mirrors of spatial telescopes).<br />

The thermal expansion coefficient (CTE) is then crucial in aerospace<br />

applications: the lower this parameter is, the higher the geometric<br />

stability of the system in orbital conditions will be. The precise knowledge<br />

of CTE values is also essential in finite elements models used to design<br />

spatial objects.<br />

Usually, during a CTE test, several thermal cycles are applied and dimensional<br />

variations are measured as a function of the temperature. The<br />

derivative of this function is calculated and different CTE values are obtained<br />

as a function of temperature. Composite materials may have a<br />

specific thermal expansion behavior: the CTE value may be different on<br />

heating and cooling at the same temperature and a substantial evolution<br />

may occur cycle after cycle [1-4]. A mT-TM (modulated Temperature<br />

ThermoMechanometry) analysis carried out on fiber glass-epoxy composites<br />

by Schanks [2] has already shown that an important part of the<br />

thermal expansion is irreversible for the first cycles.<br />

In order to better understand these phenomena, the thermal expansion of<br />

two resin reinforced with carbon nano-tubes and aluminum particles are<br />

studied. A vacuum test bench was specially developed to measure the<br />

coefficient of thermal expansion (CTE) in orbital thermal/vacuum conditions<br />

(typically from –20°C to +100°C, with a pressure value below 10-5<br />

mbar) of these materials and physical interpretations of the CTE results<br />

are proposed.<br />

Results<br />

Resin reinforced with Carbon Nano-tubes<br />

Two behaviors are observed during<br />

heating and cooling. Below +10°C<br />

CTE value measured during heating is<br />

higher than during cooling and above<br />

this temperature it is the opposite:<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 34


<strong>Essais</strong> et Modelisation<br />

CTE measured during heating is lower<br />

(Figure 4). By increasing the heating<br />

rate the gap between the curves is<br />

also increasing (Figure 5). On the opposite,<br />

if the heating and cooling rate<br />

approaches zero, this gap is expected<br />

to decrease and the two curves will<br />

merge into a single one. This behavior<br />

The delta L evolution as a function of<br />

temperature for the polyamide resin<br />

reinforced with aluminum particles is<br />

represented in figure 7. Evolutions are<br />

observed cycle after cycle.<br />

is plotted as a function of the number of<br />

cycles for heating and cooling (Figure<br />

9).<br />

Discussion<br />

1- CTE and dependence of temperature<br />

direction variation<br />

CTE and transitions<br />

For polymers, the most significant<br />

thermal expansion takes place during<br />

phase transitions (glass and liquid-liquid<br />

transitions for instance).<br />

These phenomena are characterized<br />

by macromolecular rearrangements<br />

inside the material. Each motion of<br />

polymer segment has its own relaxation<br />

time and the whole collection gives<br />

the time relaxation distribution.<br />

For a polymer, relaxation times are following<br />

a very wide Debye distribution<br />

[6] around the characteristic temperature<br />

(the transition is spreading over a<br />

broad temperature range whose width<br />

is about 100°C).<br />

is represented in Figure 4 with a dotted<br />

line.<br />

This particular behavior can be linked<br />

to phase transitions, and therefore the<br />

sample was also analyzed by DSC.<br />

Results of the pure and reinforced<br />

epoxy resin are presented on the<br />

same diagram in Figure 6. The shift in<br />

the baseline of the diagram observed<br />

between -20°C and + 60°C is attributed<br />

to the glass transition of the resin. This<br />

transition is spreading over a broad<br />

temperature range whose width is<br />

about 100°C, both for the pure and for<br />

the reinforced resin.<br />

Resin reinforced with aluminum<br />

particles<br />

In order to quantify this phenomenon,<br />

the evolution is arbitrary studied<br />

around 30°C (Figure 8).<br />

Unlike the epoxy composite, the thermal<br />

dilatation of this composite decreases<br />

and stabilizes during the first<br />

cycles (the length of red and blue arrows<br />

which represents the evolution<br />

between two cycles is decreasing cycle<br />

after cycle). As already shown, the<br />

thermal dilatation is not the same for<br />

heating and cooling (the gap between<br />

these two values represented by the<br />

grey dotted arrows is constant cycles<br />

after cycles). To quantify the stabilization<br />

of CTE value at 30°C, CTE(T)<br />

which the derivative of delta evolution<br />

The range of thermal cycle for CTE<br />

measurement is [-25°C, 45°C] i.e. in<br />

the temperature range of the glass<br />

transition for the resin (Figure 6). To<br />

measure CTE, temperature ramps of<br />

one degree per minute are applied to<br />

the material. With such heating and<br />

cooling rate, the motions associated<br />

with long relaxation times have not<br />

the time to occur. The transition is incomplete<br />

and internal stresses are<br />

generated in the material instead of<br />

being totally relaxed. Added carbon<br />

nano-tubes must modify the microscopic<br />

relaxation mechanisms. They<br />

probably prevent or disturb molecular<br />

motion and modify the relaxation time<br />

distribution associate to the transition.<br />

Therefore the CTE depends on the<br />

temperature in the transition domain<br />

and also the value is not the same on<br />

heating and on cooling at the same<br />

temperature.<br />

A similar behavior has already been<br />

observed in a study made on polymer/<br />

montmorillonite nanocomposites [7].<br />

DSC analysis showed an increase<br />

in the glass transition temperature of<br />

numerous polymers when clay was<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 35


<strong>Essais</strong> et Modelisation<br />

added. This effect was typically ascribed<br />

to the confinement of intercalated<br />

polymer within the silicate galleries that<br />

prevents the segmental motions of the<br />

polymers chain. For HDPE, Dzenis<br />

and Ponomarev have also shown that<br />

addition of a dispersed filler within the<br />

polymer results in a decrease of CTE<br />

[8].<br />

Internal thermal stresses effects<br />

In composite materials in general, and<br />

particularly in the two studied reinforced<br />

resins, several phases which<br />

have different thermo-mechanical<br />

behaviors are coexisting [4]. In this<br />

case, the CTE of the matrix is much<br />

higher than the one of reinforcements.<br />

Quantitatively, the ratio between matrix<br />

CTE and particles CTE is 20 for<br />

epoxy-carbon composite and 5 for<br />

the polyamide-aluminum composite.<br />

Also, during heating and cooling intense<br />

thermal stresses are generated<br />

between matrix and reinforcing particles.<br />

Specifically, during heating, the<br />

matrix expands more than reinforcing<br />

particles and is loaded in compression.<br />

Conversely, during cooling the matrix<br />

is loaded in traction.<br />

Thus, at the end of heating, the thermal<br />

stresses are at their maximum: the matrix<br />

is compressed and the measured<br />

CTE is lower than the “real” CTE (Figure<br />

4) because part of the transformation<br />

is prevented by internal stresses<br />

between the matrix and reinforcing particles.<br />

Just after, the direction of temperature<br />

variation is reversing and these<br />

compressive stresses are relaxed, the<br />

measured CTE is also higher than the<br />

References<br />

1 J. PENEL, A. BETTACCHIOLI. Mise au point d’un banc de dilatométrie sous vide et influence de l’histoire thermique<br />

sur le coefficient de dilatation thermique d’un matériau sandwich. <strong>Essais</strong> & Simulation n°111, pp.47-49, octobre 2012<br />

2 R. A. SHANKS. Linear thermal expansion, thermal ageing, relaxations and post-cure of thermoset polymer composites<br />

using modulated temperature thermomechanometry. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, (2011)<br />

106:151-158.<br />

3 H. JIANG, B. LIU, Y. HUANG, K.C. HWANG. Thermal Expansion of Single Wall Carbon Nanotubes. July 2004, Vol.<br />

126.<br />

4. K. SONG, X. GUO, S. LIANG, P. ZHAO, Y. ZHANG. Relationship between interfacial stress and thermal expansion<br />

coefficient of copper–matrix composites with different reinforced phases. Materials Science and Technology, July 2013.<br />

5 T. CHOTARD, M. HIGER, J. SORO. Caractérisation du comportement mécanique endommageable de réfractaires à<br />

haute température par couplage de techniques ultrasonores. 18ème Congrès Français de Mécanique. Grenoble, Aout<br />

2007. Proceedings ?<br />

6 M. STEFENEL. Etude des mouvements moléculaires dans les polymères biphasiques à résilience améliorée polyamides-élastomère<br />

par fluage stimulé par la température. PhD Thesis, Université Paul Sabatier, 1984.<br />

7 A. LESZCZYNSKA, K. PIELICHOWSKI. Application of thermal analysis methods for characteri-zation of polymer/<br />

montmorillonite nanocomposites. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, Vol. 93 (2008) 3, 677-687.<br />

8 YU. A. DZENIS, V. M. PONOMAREV. Thermal expansion of a polymer composite with an aggregating disperse filler.<br />

Institute of Polymer Mechanics, Academy of Sciences of the Latvian SSR, Riga. Junuary-february, 1989.<br />

9 J-M. HAUSSONNE. Traités des Matériaux, Presses polytechniques et universitaires romandes, 2005<br />

10 G. POMMATAU, M. NIVET-LUTZ. MMC tubes and advanced assemblies for high stability space structures. Meeting<br />

Le Bourget 20-06-2001. Proceedings ?<br />

11 D. LUCA MOTOC, J. IVENS, N. DADIRLAT. Coefficient of thermal expansion evolution for cryogenic preconditioned<br />

hybrid carbon fiber/glass fiber-reinforced polymeric composite material. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry<br />

2013, Vol. 112, p. 1245-1251.<br />

12 TOMPKINS S. S. Thermal Expansion of Selected Graphite-Reinforced Polyimide-, Epoxy, and Glass-Matrix Composite.<br />

Journal of Thermophysics, Vol. 8, No 1, 1987.<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 36


<strong>Essais</strong> et Modelisation<br />

real one. The phenomenon is symmetrically<br />

the same at low temperature.<br />

Chotard et al (2007) [5] first observed<br />

that the CTE and Young modulus evolution<br />

was not the same for cooling<br />

and heating for refractory ceramics<br />

composed of phases with very different<br />

CTE (mix of cordierite which CTE<br />

range is from 1.5 to 3.10-6 K-1 and<br />

mullite which CTE range is from 6 to<br />

7.10-6 K-1) [5]. They proposed that<br />

there were micro structural phenomena<br />

which induce internal stresses<br />

and microcraks which modify these<br />

parameters. Our experiments on reinforced<br />

resins supplement these observations<br />

about ceramics.<br />

Stabilization of CTE cycle after cycle<br />

Reversing and non reversing thermal<br />

dilatations<br />

The variation of CTE with the number<br />

of cycles shows that non reversing<br />

events take place in the material<br />

structure at microscopic scale. A study<br />

realized in 2011 by R.A. Shanks with<br />

mT-TM (modulated Temperature Thermo-mechanometry)<br />

allowed dissociating<br />

reversing and non-reversing thermal<br />

dilatation for another epoxy resin<br />

reinforced with glass fibers [2].<br />

They showed that a significant part of<br />

the thermal dilatation is non-reversing<br />

particularly for the first heating cycle.<br />

We will try to explain more precisely<br />

what can be this non-reversing phenomenon<br />

which conducts to a stabilization<br />

of the CTE value.<br />

Elaboration stresses relaxation<br />

At room temperature, strong internal<br />

stresses can be confined in a composite<br />

material. These stresses appear<br />

during material processing. When the<br />

material is cooled down the matrix retracts<br />

more than the fibers or filler (fiber<br />

CTE < matrix CTE) therefore intense<br />

internal tensile stresses are created<br />

between the two phases [9].<br />

At Thales Alenia Space a study was<br />

made in order to relax these stresses to<br />

improve mechanical properties of the<br />

composite. After material processing,<br />

different thermal cycles were applied<br />

and the stress level was measured by<br />

X-ray detection. They conclude that if<br />

the temperature amplitude is correctly<br />

chosen, the intern stress could really<br />

decrease. For instance, for the composite<br />

studied (aluminum/carbon fibers),<br />

three cycles [-40°C, 50°C] allow to divide<br />

by a factor ten the internal stress<br />

level. A permanent deformation of 33<br />

µm/m was observed after the experiment<br />

[10].<br />

So, during the first cycles, the measured<br />

CTE can be higher because the<br />

relaxation of elaboration stresses can<br />

add to thermal dilatation. The CTE is<br />

decreasing while the material is relaxing<br />

its internal stresses and when<br />

the material is “balanced” the CTE is<br />

stabilized.<br />

Aging induced by thermal cycling<br />

Recently, some experiments showed<br />

that cryogenic preconditions (-35°C<br />

for one week) can decrease the CTE<br />

value of hybrid carbon and glass fiber<br />

composite [11]. According to the study,<br />

these modifications can be associated<br />

to the microcracks formation induced<br />

during low-temperature environmental<br />

conditioning. The cycles applied<br />

for our experiment range from [-45°C,<br />

65°C] therefore the non-reversing CTE<br />

evolution cycle after cycle could partly<br />

be explained by low temperature exposure.<br />

Another study showed that the resulting<br />

micro damage induced in the composite<br />

by thermal cycling, significantly<br />

reduced the CTE from about 1.64 10-6<br />

K-1 to about 0.79 10-6 K-1 at 24°C after<br />

250 cycles [12].<br />

Conclusion<br />

By studying two reinforced specific behaviors<br />

observed for the thermal dilatation<br />

of several complex materials were<br />

analysed.<br />

A substantial part of the thermal dilatation<br />

of this kind of material is non<br />

reversing for the first cycles. In polyphases<br />

materials, significant stresses<br />

are created during material processing<br />

when the material is cooled from several<br />

hundred of degrees to room temperature.<br />

These stresses are partially<br />

relaxed during the first cycles and increase<br />

the value of the measured CTE.<br />

Thus, before measuring the CTE, several<br />

thermal cycles must be applied to<br />

the material in order to obtain an accurate<br />

value.<br />

The CTE depends on the temperature<br />

in the temperature range of the study<br />

and CTE values are usually different<br />

for heating and cooling at a given temperature<br />

even if many cycles are applied.<br />

The gap between CTE values on<br />

heating and cooling increases with the<br />

heating (and cooling) rate. A relatively<br />

low heating rate (1 or 0.5°C/min) is<br />

recommended for a satisfactory CTE<br />

measurement. The temperature dependency<br />

and the gap between heating/cooling<br />

values is a consequence<br />

of molecular rearrangements occurring<br />

during phase transitions and of internal<br />

thermal stresses induced between<br />

phases. The superimposition of various<br />

phenomena make it difficult to<br />

give an absolute value of the CTE and<br />

the most precise value that can be proposed<br />

for a given temperature is the<br />

average between the CTE measured<br />

during heating and cooling.<br />

Lefaux Y. 1 , Bettacchioli A. 2 , Missiaen J.-<br />

M. 3&4 , Dufresne A. 5&6<br />

1PHELMA Grenoble INP<br />

F-38016 Grenoble Cedex 1, France<br />

2 Test Center of Thales Alenia Space<br />

F-06156 Cannes-la-Bocca Cedex, France<br />

3 Univ. Grenoble Alpes, SIMAP, F-38000<br />

Grenoble, France<br />

4 CNRS, SIMAP, F-38000 Grenoble,<br />

France<br />

5 Univ. Grenoble Alpes, LPG2, F-38000<br />

Grenoble, France<br />

6 CNRS, LPG2, F-38000 Grenoble, France<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 37


Dossier<br />

Entretien<br />

Les capteurs : source d’innovation majeure<br />

À l’occasion de ce dossier spécialement consacré aux capteurs, Joseph Merlet, président de l’ASTE<br />

et ancien directeur technique d’Intespace, nous expose sa vision sur l’évolution technologique de ces<br />

systèmes, le rôle qu’ils jouent dans les laboratoires d’essais et les innovations de demain.<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong><br />

Où trouve-t-on les capteurs ?<br />

Joseph Merlet<br />

Les laboratoires et les centres d’essais<br />

utilisent les capteurs pour deux raisons<br />

essentielles : la caractérisation du comportement<br />

des spécimens en essais<br />

et le pilotage des moyens d’essais. Il<br />

existe une autre utilisation qui est la caractérisation<br />

de l’environnement auquel<br />

est soumis le matériel pendant son utilisation.<br />

Cependant, cette utilisation est<br />

relativement faible.<br />

Quelle définition donner au capteur<br />

?<br />

Un capteur est un dispositif transformant<br />

l'état d'une grandeur physique observée<br />

en une grandeur utilisable, telle<br />

qu'une tension électrique. Un capteur<br />

contient au minimum un transducteur :<br />

le dispositif qui transforme le signal physique<br />

en un signal électrique, ce dernier<br />

a très souvent besoin d’être transformé<br />

et conditionné pour pouvoir être utilisé<br />

dans une chaîne de mesure.<br />

Sur quelles technologies s'appuient-ils<br />

?<br />

La révolution numérique a très tôt bouleversé<br />

le monde de la mesure dans les<br />

laboratoires et centres d’essais. On est<br />

passé de l’ère de la fourniture voie par<br />

voie et en temps différé des résultats<br />

bruts de mesure à la mise à disposition<br />

en temps réel de résultats de mesure<br />

ayant été traités de façon systématiques.<br />

En quoi jouent-ils un rôle important<br />

au quotidien dans le monde des essais<br />

?<br />

Le besoin en résultats de mesure a<br />

aussi été décuplé par le besoin de la<br />

comparaison essais-simulation qui a<br />

entrainé une demande exponentielle<br />

de points de mesure. En effet, un point<br />

de mesure correspond plus ou moins<br />

Curriculum vitae de Joseph Merlet, ancien directeur technique d'Intespace<br />

1970 : Diplômé de l'Ensma<br />

1971 : Joseph Merlet entre à la Sopemea (dans la partie « Études ») -Laboratoire d’essais spatial- dont les locaux se<br />

situaient à l'époque sur le site du CNS à Brétigny-sur-Orge.». Il y exerce des activités d'ingénierie des moyens d'essais<br />

et des études dynamiques.<br />

1972 : Suite au déplacement du CNES à Toulouse, Joseph Merlet suit la Sopemea à Toulouse à la suite du déplacement<br />

de la Sopemea dans le sud-ouest de la France. Il s’occupe d’études mécaniques et thermiques et prend ensuite<br />

la responsabilité des essais mécaniques.<br />

1977 : Un bref passage au CNES où il calcule la structure de l’équipement « Caméra Grand Champ » qui a volé sur<br />

Spacelab.<br />

1978 : Il crée à Toulouse un nouveau département consacré aux études et à l'ingénierie.<br />

1983 : Deux après la création d'Intespace, Joseph Merlet devient l'adjoint de Jean-François Imbert (devenu plus tard<br />

le responsable des calculs chez Airbus à Toulouse). Ils travaillent tous deux au sein de la division Etudes et Ingénierie.<br />

1988 : Durant ces années en tant qu'adjoint à Jean-François Imbert, Joseph Merlet démarre le projet DynaWorks, un<br />

logiciel de stockage, de gestion et d'analyse de données pour les essais et les simulations.<br />

1989 : Sortie en novembre d'une première version du logiciel DynaWorks. Celle-ci est présentée pour la première fois<br />

à StruCome.<br />

2001 : L’activité DynaWorks devient une Business Unit dont Joseph Merlet est nommé responsable et ce trois années<br />

durant.<br />

2004 : Un an après l'arrivée de Franck Airoldi à la Direction Générale d'Intespace, Joseph Merlet quitte ses responsabilités<br />

pour se consacrer principalement à la R&D<br />

2009 : Il devient Directeur Technique d'Intespace. Il participe à plusieurs projets intégrés européens et des projets du<br />

FUI. En parallèle, il monte plusieurs projets régionaux sur le contrôle de moyens d’essais et les réseaux de capteurs.<br />

2014 : Il quitte Intespace.<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 38


Dossier<br />

à un nœud de calcul. Les possibilités<br />

de solveurs de calcul ayant augmenté<br />

de manière vertigineuses, la demande<br />

en point de mesure n’est jamais à la<br />

hauteur du besoin de l’ingénieur calcul<br />

! La demande d’aujourd’hui s’apparente<br />

donc à une demande toujours plus élevée<br />

en nombre de capteurs embarqué<br />

sur le spécimen en essai. Cependant<br />

cette demande est limitée dans les<br />

faits par plusieurs facteurs : le coût de<br />

mise en place des capteurs, l’encombrement<br />

de ces capteurs et de leurs<br />

câbles ainsi que la limitation physique<br />

des chaines d’acquisition et parfois des<br />

moyens d’essais (limitation des traversées<br />

étanches par exemple pour les<br />

caissons à vide)<br />

Aussi se pose donc la question des<br />

capteurs sans fils qui résoudraient bien<br />

des problèmes et qui seraient une révolution,<br />

car on peut imaginer que ces<br />

capteurs sans fils auraient leur conditionnement<br />

intégré, ainsi que leur numérisation.<br />

A supposer que les problèmes<br />

suivants soient résolus : l’autonomie<br />

électrique du capteur, la bande passante<br />

de l’émission de la mesure à partir<br />

du capteur, la performance – certes<br />

limitée – du système de supervision de<br />

l’ensemble des capteurs nécessaires à<br />

un essai, ou encore la confidentialité de<br />

chaque mesure respective entre deux<br />

essais proches.<br />

À quelles innovations pouvons-nous<br />

nous attendre dans un<br />

avenir proche ?<br />

On pourrait envisager à terme la suppression<br />

des systèmes d’acquisition de<br />

données tels qu’on les connaît actuellement,<br />

et donc une réduction du cout<br />

d’investissement des moyens d’essais<br />

mais également à une réduction du coût<br />

de l’essai puisque la phase de câblage<br />

du spécimen pourrait être réduite à<br />

la phase instrumentation. Il est aussi<br />

possible d’envisager un coût réduit du<br />

capteur en imaginant une production du<br />

capteur de mesure avec son système<br />

de conditionnement, de numérisation et<br />

d’émission-réception totalement intégré<br />

de la même manière que pour l’industrie<br />

automobile ; on pourrait peut-être<br />

ainsi entrevoir des capteurs jetables !<br />

Ce sujet est à la mode et nombreux<br />

sont les projets qui vont dans ce sens.<br />

Mais il ne faut pas confondre capteurs<br />

de mesure de surveillance comme l’on<br />

voit des solutions apparaître sur le marché<br />

et les besoins des laboratoires et<br />

centres d’essais : grande bande passante,<br />

grand nombre de capteurs,<br />

capteur à très faible impact sur le comportement<br />

du spécimen et sur son environnement<br />

électromagnétique, sécurité<br />

de fonctionnement du capteur importante,<br />

intelligence embarquée, large<br />

autonomie et très faible consommation<br />

du capteur et de son électronique de<br />

contrôle-commande, réseau configurable<br />

facilement et confidentiel pour<br />

chaque essai. Ceux-ci sont à mon sens<br />

les voies des innovations majeures<br />

que l’on devrait voir apparaître dans<br />

le domaine de la mesure de précision<br />

demandée par les laboratoires et les<br />

centres d’essais.<br />

Propos recueillis par Olivier Guillon<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 39


Dossier<br />

En application<br />

Nouveaux capteurs infrarouge miniatures multivoies<br />

de mesure de température sans contact<br />

La mesure de température de pneumatiques<br />

en compétition<br />

Elément de liaison entre la voiture et<br />

la piste, les pneumatiques doivent à la<br />

fois assurer la bonne adhérence du véhicule<br />

et bien transmettre la puissance<br />

du moteur. La compréhension de leur<br />

fonctionnement et surtout la bonne exploitation<br />

de leurs caractéristiques sont<br />

essentielles aux pilotes et ingénieurs en<br />

compétition pour mettre au point une<br />

monoplace équilibrée.<br />

Un des paramètres influents permettant<br />

de s’assurer de la bonne utilisation<br />

d’un pneumatique est sa température<br />

en surface sur la bande roulement.<br />

Trop chaude, celle-ci témoigne de frictions<br />

trop importantes débouchant sur<br />

une usure prématurée et par conséquent<br />

une baisse rapide de ses performances<br />

; trop froide et c’est un pneu<br />

inefficace sans aucun grip.<br />

Les ingénieurs tant dans les équipes<br />

Résumé<br />

Parmi les techniques de mesure de température sans contact, la pyrométrie<br />

infrarouge est largement utilisée notamment dans le domaine des<br />

essais et mesures embarquées.<br />

La société TEXYS, concepteur et fabricant français de capteurs pour essais<br />

embarqués, commercialise et développe depuis sa création en 1998<br />

une vaste gamme de capteurs infrarouge miniatures destinés à de nombreuses<br />

applications de mesure de température (sports mécaniques, automobile,<br />

aéronautique…).<br />

Anticipant sur les demandes et exigences des ingénieurs d’essais en<br />

F1, TEXYS a mis au point un capteur miniature innovant permettant de<br />

mesurer les températures en surface des pneumatiques sur la largueur<br />

de la bande de roulement.<br />

Dans un même élan de constante innovation, les ingénieurs de TEXYS<br />

ont développé et mis au point une version Wireless de ce capteur permettant<br />

ainsi aux écuries de F1 de disposer de moyens de mesure<br />

nettement plus faciles à mettre en place sur leurs monoplaces où les<br />

espaces disponibles se font de plus en plus rares.<br />

que chez les manufacturiers de pneumatiques<br />

se sont donc rapidement intéressés<br />

à ce paramètre et ont mis en<br />

place des outils de mesure.<br />

Jusqu’aux années 1980, cette mesure<br />

était uniquement réalisée par sondage<br />

Abstract<br />

The infrared pyrometer technique is largely used among other contactless temperature techniques especially in the<br />

field of embedded testing.<br />

Since its founding in 1998, TEXYS company, which is a French manufacturer of embedded testing sensors, realizes<br />

and supplies a wide range of miniaturized infrared sensors for temperature monitoring for various purposes (motorsport,<br />

automotive, aeronautics, etc.).<br />

Anticipating on its customers’ demands (most of them coming from F1 teams engineers), the engineers of TEXYS<br />

have developed an innovative sensor able to output the temperature data of the full tire footprint.<br />

In the same way the Texys R&D team has studied, designed and realized a Wireless release of this infrared multichannel<br />

sensor. Thus the F1 tests team engineers could get an innovative measuring tool simplifying the sensors<br />

installation on the car.<br />

tion may occur cycle after cycle [1-4]. A mT-TM (modulated Temperature ThermoMechanometry) analysis carried<br />

out on fiber glass-epoxy composites by Schanks [2] has already shown that an important part of the thermal expansion<br />

is irreversible for the first cycles.<br />

In order to better understand these phenomena, the thermal expansion of two resin reinforced with carbon nano-tubes<br />

and aluminum particles are studied. A vacuum test bench was specially developed to measure the coefficient<br />

of thermal expansion (CTE) in orbital thermal/vacuum conditions (typically from –20°C to +100°C, with a<br />

pressure value below 10-5 mbar) of these materials and physical interpretations of the CTE results are proposed.<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 40


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<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 41<br />

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Dossier<br />

Keywords<br />

tire temperature, infrared pyrometers,<br />

thermopile, CAN bus,<br />

Wireless sensors, embedded<br />

testing.<br />

Mots clés<br />

température de pneumatiques,<br />

pyrométrie infrarouge, thermopile,<br />

bus CAN, capteurs Wireless,<br />

essais embarqués.<br />

avec un petit système portatif composé<br />

d’une sonde thermocouple associée à<br />

un système de lecture digital (Fig. 1).<br />

Dès que la moto ou la monoplace<br />

Fig. 1 : Prise de température<br />

de pneu par contact<br />

rentre au stand après une série de<br />

tours d’essais, l’ingénieur se précipite<br />

vers elle et ‘’pique’’ l’embout de sonde<br />

thermocouple dans les premiers millimètres<br />

de la bande roulement et relève<br />

la température. Cette méthode semi-invasive<br />

encore utilisée permet certes de<br />

connaître la température à cœur de la<br />

Fig. 2 : Imagerie de caméra vidéo infrarouge<br />

embarquée.<br />

gomme mais ne donne qu’une indication<br />

a posteriori.<br />

Avec l’introduction au début des années<br />

1990 des chaînes de mesures et<br />

d’acquisition de données embarquées,<br />

les ingénieurs ont pu avoir un accès in<br />

vivo aux différents paramètres des monoplaces<br />

: vitesse de déplacement de<br />

l’air, accélération, tangage, roulis, pression<br />

et température des fluides (eau,<br />

huile, liquide de frein), températures<br />

des disques de frein et ont souhaité<br />

très rapidement connaître l’évolution<br />

des températures des pneumatiques<br />

en fonctionnement sur un tour complet<br />

de circuit.<br />

On voit dans l’image ci-dessous issue<br />

d’une vidéo embarquée réalisée avec<br />

une caméra infrarouge combien les<br />

pneumatiques sont sollicités, notamment<br />

en courbe (Fig. 2).<br />

Mesure de température embarquée<br />

et pyrométrie infrarouge<br />

L’utilisation de capteurs de mesure sans<br />

contact était une obligation incontournable<br />

pour surveiller la température des<br />

pneumatiques pendant le roulage de la<br />

voiture. Il fallait également que ces capteurs<br />

offrent un temps de réponse, une<br />

précision et une répétabilité suffisants<br />

pour que les courbes de données enregistrées<br />

correspondent à la réalité des<br />

phénomènes physiques. Ce capteur<br />

devait aussi répondre aux contraintes<br />

des systèmes embarqués, c’est-à-dire,<br />

offrir un faible encombrement, la masse<br />

la plus petite possible, une consommation<br />

électrique optimisée et fonctionner<br />

dans des environnements sévères<br />

(vibrations, chocs, hautes températures<br />

ambiantes…).<br />

L’émissivité d’un pneumatique étant<br />

similaire à celle d’un corps noir et les<br />

gammes de température à mesurer<br />

n’excédant pas 200°C, la plupart des<br />

pyromètres infrarouge industriels auraient<br />

pu répondre aux exigences de<br />

mesure. En revanche, ils étaient difficilement<br />

‘’embarquables’’.<br />

En 1998, Etienne Deméocq (ex-Responsable<br />

du département électronique<br />

d’une grande écurie de F1) crée<br />

TEXYS et développe rapidement une<br />

gamme de capteurs infrarouge analogiques<br />

répondant à la fois aux spécifications<br />

de mesure et aux contraintes<br />

propres aux systèmes embarqués.<br />

Les pyromètres infrarouges développés<br />

par TEXYS ont très vite gagnés la reconnaissance<br />

et la confiance de prestigieux<br />

donneurs d’ordre, bénéficiant des<br />

constants progrès technologiques et du<br />

retour d’expérience rapide dû à l’intensité<br />

des applications en sports mécaniques<br />

de haut niveau.<br />

La gamme des capteurs infrarouge est<br />

maintenant très aboutie et répond parfaitement<br />

aux exigences des ingénieurs<br />

d’essais.<br />

La série des capteurs texense® INF V/T<br />

150 intègre comme élément sensible<br />

une thermopile convertissant l’énergie<br />

thermique en énergie électrique. La longueur<br />

d’onde de la thermopile s’étend<br />

de 8 à 14 µm.<br />

Fig. 3 : diagramme de calibration du<br />

capteur INF T 150<br />

La tension de sortie de quelques dizaines<br />

de mV, proportionnelle à la différence<br />

ou au gradient de température<br />

mesuré, est amplifiée par une électronique<br />

analogique miniature directement<br />

intégrée au capteur. Les données de<br />

température sont ainsi transmises sous<br />

forme d’un signal analogique, non linéaire,<br />

en tension 0-5 V.<br />

Le capteur est calibré sur un corps noir<br />

(émissivité > 99%) sur une plage de<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 42


Dossier<br />

température allant de 0°C (0.5V) à +<br />

150°C (5V) avec compensation de température<br />

sur la mesure. La résolution à<br />

150°C est de 50 mV/°C.<br />

L’ensemble élément sensible et électronique<br />

d’amplification offre une précision<br />

de 2% sur la pleine échelle de mesure<br />

et un temps de réponse de 50ms.<br />

Une lentille en Silicium en face avant<br />

du capteur (devant la thermopile) vient<br />

jouer le rôle d’optique et permet d’obtenir<br />

un cône de mesure infrarouge<br />

avec un champ de vision de 4:1 à 50<br />

mm (donné pour 90% des radiations<br />

reçues). Le rapport Distance / diamètre<br />

cible pour 90% de l’énergie est donné<br />

dans le diagramme ci-dessous (Fig. 3).<br />

Placé à 50mm du pneumatique, le<br />

capteur mesure les radiations émises<br />

par une cible de diamètre équivalent à<br />

12.5mm.<br />

Fig. 4 : dimensions du boîtier<br />

du capteur INF T 150<br />

Des travaux de R&D et de nombreux<br />

essais comparatifs ont permis de choisir<br />

parmi les éléments sensibles et composants<br />

électroniques offrant les meilleurs<br />

Fig. 5.1 & 5.2 : exemples d’applications<br />

multi-capteurs<br />

compromis<br />

dimensions/taille/consommation<br />

(les récents progrès notamment<br />

en matière d’électronique aidant). Le<br />

capteur INF V/T 150 dispose ainsi d’un<br />

boîtier au format extrêmement compact<br />

(Fig. 4) avec une masse de 15 g et pour<br />

une consommation électrique de l’ordre<br />

de 1.5 mA.<br />

Fig. 5.1 & 5.2 : exemples d’applications<br />

multi-capteurs<br />

L’orientation des études de conception<br />

mécanique du boîtier et le retour d’expérience<br />

pour le choix des résines de<br />

surmoulage des éléments électroniques<br />

ont permis de conférer une haute résistance<br />

au capteur. Passé au banc de<br />

‘’torture’’ il est éprouvé pour encaisser<br />

des chocs jusqu’à 500 G et continuer<br />

de fonctionner sous contraintes de<br />

vibrations jusqu’à 20 Gpp 5’.<br />

Les matériaux (boîtier aluminium anodisé,<br />

résine, composants & circuit<br />

électronique) ont été sélectionnés également<br />

pour que la plage de température<br />

de fonctionnement corresponde à<br />

l’ambiante où est positionné le capteur<br />

sur véhicule : les essais en chambre<br />

climatique ont permis de valider une<br />

plage opérationnelle allant de -20°C à<br />

+ 100°C.<br />

Une version INFTL-200 avec sortie<br />

analogique linéaire et une gamme de<br />

mesure étendue à + 200°C a également<br />

été développée.<br />

Cette série de capteurs ou des pyromètres<br />

équivalents d’autres fabricants<br />

ont été et sont ainsi très utilisés en compétitions<br />

de tous types (circuit, rallye) et<br />

dans tous types de catégorie (monoplaces,<br />

voitures de Grand Tourisme et<br />

de Tourisme, moto, karting).<br />

Comme le montre la 1ère photo de cet<br />

article, la température sur le pneumatique<br />

est loin d’être homogène sur toute<br />

la bande de roulement et varie selon<br />

que le véhicule est en courbe ou en<br />

ligne droite, et également selon la vitesse<br />

de passage en courbe.<br />

Ainsi les ingénieurs d’essais ont eu<br />

tendance rapidement à multiplier les<br />

nombres de points de mesure comme<br />

le montre la photo ci-dessous (Fig. 5.1<br />

& 5.2) et donc à embarquer plusieurs<br />

capteurs infrarouge pour surveiller un<br />

seul pneumatique. Sur une voiture, il<br />

n’est ainsi pas rare d’avoir jusqu’à 12<br />

capteurs infrarouges.<br />

Outre un aspect économique, de telles<br />

configurations multi-capteurs ont des<br />

impacts conséquents et peuvent être<br />

rapidement limitatives :<br />

Fig. 6 : le nouveau capteur infrarouge<br />

multivoies texense® IRN8-C<br />

• Multiplication des entrées analogiques<br />

nécessaires sur les enregistreurs embarqués<br />

• Complexité des faisceaux électriques<br />

et multiplication des connectiques<br />

(risque de panne)<br />

• Nombre de points de mesure parfois<br />

insuffisants pour avoir une lecture fine<br />

de la répartition des gradients de température<br />

sur la largueur de bande de<br />

roulement.<br />

Au-delà de trois capteurs de mesure<br />

par pneumatique, l’installation devenait<br />

rédhibitoire. Et c’est pourtant la tendance<br />

vers laquelle le plus haut niveau<br />

de la compétition souhaitait tendre : en<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 43


Dossier<br />

F1 le moindre centième de seconde<br />

gagné sur la piste est le fruit d’une<br />

analyse extrêmement détaillée de plus<br />

de 200 capteurs, tout type de mesure<br />

confondu.<br />

Naissance du capteur numérique<br />

multivoies IRN8C<br />

Fig. 7 : un nouveau capteur permettant<br />

de mesurer la température de la bande<br />

de roulement.<br />

Anticipant ainsi la demande des ingénieurs<br />

et techniciens d’essais évoluant<br />

en F1, l’équipe du bureau d’étude et<br />

de R&D de Texys a travaillé en 2006 sur<br />

une solution permettant de multiplier le<br />

nombre de points de mesure tout en<br />

conservant un capteur unitaire.<br />

Fig. 8 : Distances de calibration des 8<br />

voies du capteur IRN8C<br />

capteur aux dimensions comparables<br />

à celles des pyromètres simple voie<br />

utilisés jusqu’alors mais offrant suffisamment<br />

de voies de mesures indépendantes<br />

pour couvrir avec un maillage<br />

efficace la largueur de bande de<br />

roulement.<br />

Côté intégration, il fallait absolument<br />

trouver une solution pour simplifier le<br />

faisceau : tout comme pour les capteurs<br />

INF V/T 150, un seul câble devait sortir<br />

du capteur pour transférer les signaux<br />

de mesure et recevoir l’alimentation du<br />

capteur.<br />

D’autre part, l’attrait du numérique avec<br />

les possibilités de laisser les utilisateurs<br />

changer certains paramètres du capteur<br />

faisait également parti du cahier<br />

des charges.<br />

> Caractéristiques techniques et performances<br />

d’IRN8C<br />

Le premier challenge des ingénieurs de<br />

Texys concernait l’élément sensible :<br />

celui-ci devait à la fois être le plus petit<br />

possible, offrir les performances nécessaires<br />

en justesse, précision et répétabilité<br />

de mesure, temps de réponse et<br />

bien sûr être multicanaux.<br />

Les travaux de R&D engagés et de<br />

nombreux essais menés en étroite collaboration<br />

avec les fabricants de composant<br />

ont permis d’aboutir à des composants<br />

sur base de thermopile offrant 8<br />

voies en ligne ou 16 voies (sur 4 lignes)<br />

de mesure. Les évaluations menées<br />

par les équipes de TEXYS et de ses<br />

clients ont permis de privilégier le composant<br />

à 8 voies de mesure disposant<br />

du meilleur compromis entre finesse du<br />

maillage de la ligne de mesure et performances<br />

intrinsèques (Fig.7).<br />

Fig. 10 : exemple d’installation d’un capteur<br />

infrarouge devant un pneu arrière<br />

La thermopile sélectionnée est en effet<br />

caractérisée par une longueur d’onde<br />

de 8 à 14 µm et un champ de vision<br />

(avec lentille Silicium) par voie avec un<br />

rapport de 6.5 :1 (pour 90% des radiations<br />

reçues), soit un spot infrarouge<br />

par voie d’un diamètre de 30 mm à une<br />

distance de 200 mm. L’angle total d’ouverture<br />

est de 41.5°, ce qui permet de<br />

couvrir selon la distance à laquelle est<br />

positionné le capteur l’intégralité de la<br />

bande de roulement du pneumatique :<br />

à 700 mm la largueur de bande roulement<br />

couverte est de 532 mm (Fig. 8).<br />

L’étendue du mesure va de -20°C à +<br />

200°C avec une précision de +/- 1% sur<br />

la pleine échelle.<br />

Les progrès réalisés en matière de miniaturisation<br />

des composants et convertisseurs<br />

numériques ont permis aux<br />

ingénieurs de Texys de concevoir et<br />

d’intégrer une électronique de numérisation<br />

des signaux et de conversion sur<br />

bus de communication CAN 2.0 A ou B.<br />

C’est ainsi que le capteur IRN8C a vu le<br />

jour et a pu être proposé aux écuries de<br />

F1 dès 2007 (Fig. 6).<br />

> Des choix technologiques conditionnés<br />

par le défi à relever<br />

Le souhait idéal des clients F1 de<br />

Texys était de pouvoir disposer d’un<br />

Fig. 9 : dimensions du capteur IRN8-C<br />

Fig. 10 bis : vue de détail de la fenêtre de<br />

protection en PEHD montée sur IRN8-C<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 44


Dossier<br />

Fig. 11 : Calibrations possibles du capteur<br />

flexible IRN-RC<br />

IRN8-C transmets ainsi les 8 données<br />

de température calibrées en 2 octets<br />

par voie avec une résolution de 0.1°C /<br />

bit, et avec un temps de réponse de 260<br />

ms pleine échelle.<br />

Fig. 12 : exemple de montage avec mesure<br />

des températures du flanc et de la<br />

bande de roulement<br />

En outre Texys a développé son propre<br />

protocole de communication sur base<br />

CAN 2.0 A ou B. L’utilisateur peut au<br />

moyen d’un outil CAN (type CANalyser<br />

ou équivalent) changer lui-même les<br />

paramètres CAN et capteur :<br />

• Identifiant CAN du capteur,<br />

• Baud Rate CAN : de 125 à 1000 Kbps,<br />

• Fréquence d’émission : 1Hz, 10Hz, ou<br />

mode ‘’requête’’ à une trame CAN de<br />

réception spécifique (fréquence limitée<br />

Fig. 13 : exemple de montage pour pneu<br />

arrière de moto<br />

à 10Hz max dans ce cas),<br />

• Unités : °C ou °F,<br />

• Emissivité : en jouant sur le facteur de<br />

gain. Il s’agit d’un facteur de correction<br />

du capteur exprimé en millième (0.500<br />

à 2.000). Il est utilisé pour corriger l’erreur<br />

due au changement d’émissivité<br />

de la cible ou à la distance de mesure.<br />

Par exemple si l’émissivité de la cible<br />

est de 0.8 alors le facteur de gain est<br />

de 1.250,<br />

• Temps de réponse : filtre numérique<br />

ajustable de 100 à 10000 ms,<br />

• Compensation dynamique : activation/<br />

désactivation d’un mode de compensation<br />

spécifique pour les changements<br />

rapide de température ambiante.<br />

Ces performances n’ont pas empêché<br />

les concepteurs de Texys de réaliser<br />

un capteur aux dimensions tout à fait<br />

comparables aux capteurs simple voie<br />

(Fig. 9) et de masse identique : 15 g<br />

seulement.<br />

Ceci permet donc un installation aisée<br />

du capteur même s’il n’y a que peu<br />

de place disponible sur la monoplace<br />

comme le montre l’exemple d’implantation<br />

devant un pneu arrière sur la photo<br />

ci-dessous : le capteur est installé sur<br />

le haut du fond plat, derrière le ponton<br />

latéral, et intégré dans un capotage en<br />

forme de goutte d’eau pour minimiser<br />

les perturbations dans le flux aérodynamique<br />

(Fig. 10).<br />

Dans ces conditions, IRN8-C est également<br />

capable de supporter des températures<br />

ambiantes jusqu’à + 100°C,<br />

survivre à des décélérations brutales<br />

(choc à 500G) et continuer de fonctionner<br />

sous contraintes vibratoires (20<br />

Gpp 5’).<br />

Côté maintenance, une fenêtre interchangeable<br />

en PEHD (Fig. 10 bis) est<br />

positionnée devant la lentille infrarouge<br />

pour la protéger des projections de<br />

poussières et de gomme. Cette fenêtre<br />

est facilement démontable par l’utilisateur<br />

et remplaçable par une neuve sans<br />

nécessité d’opération de recalibration<br />

du capteur.<br />

> IRN-RC : version flexible et ultraplate<br />

d’IRN8-C<br />

Pour certaines applications, le manque<br />

d’espace entre la surface du pneu et la<br />

position possible du capteur reste rédhibitoire<br />

pour que le capteur IRN8-C<br />

puisse couvrir toute la bande de roulement.<br />

C’est le cas notamment sur les voitures<br />

dites ‘’fermées’’ (Prototypes d’endurance,<br />

GT, voitures de tourisme) ou les<br />

motos.<br />

C’est la raison pour laquelle une version<br />

‘’aplatie’’ d’IRN8C a vu le jour en<br />

2012 : le capteur IRN-RC est composé<br />

de 3 à 8 cellules infrarouge avec pour<br />

chacune un champ de vision plus ou<br />

moins ouvert (45° ou 90° - Fig. 11) autorisant<br />

des distances cible / capteur très<br />

courtes (de 25 à 50mm) et de couvrir<br />

toutes largeurs de pneumatiques selon<br />

le nombre de cellules infrarouge retenues.<br />

En outre l’emploi d’un PCB flexible (collé<br />

sur une bande élastomère et renforcé<br />

par un lame inox) permet au capteur de<br />

se conformer à la forme du pneumatique<br />

et de relever également la température<br />

du flanc pneu (Fig. 12) ou de bien<br />

suivre le profil particulier d’un pneu de<br />

moto par exemple (Fig. 13).<br />

Intégration et miniaturisation de<br />

la technologie Wireless : genèse<br />

d’IRN8-W<br />

En parallèle et poussant toujours plus<br />

loin leurs exigences, les ingénieurs<br />

d’essais des équipes de F1 ont fait<br />

part aux équipes de Texys de leur souhait<br />

de simplification des faisceaux<br />

électriques et de rendre plus facile l’installation<br />

des capteurs sur leurs monoplaces<br />

où chaque espace disponible et<br />

non nécessaire doit être libéré au profit<br />

de la performance.<br />

Comme on peut le comprendre, l’intégration<br />

de tels capteurs à l’avant ou à<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 45


Dossier<br />

l’arrière d’un véhicule, et encore plus<br />

d’une monoplace, pose de nombreuses<br />

difficultés : positionnement des capteurs<br />

nécessitant une longueur et un<br />

passage complexe voire impossible de<br />

faisceaux électriques dans le nez ou<br />

dans les pontons de la voiture, risque<br />

d’arrachement du même faisceau en<br />

cas d’accident, etc.<br />

C’est pourquoi l’équipe de R&D de<br />

Texys s’est lancée dans l’étude et la<br />

conception d’une version sans fil du<br />

capteur IRN8-C : le projet IRN8-W a<br />

démarré en 2012.<br />

L’architecture retenue dès le début des<br />

études est composée d’une cellule ‘’esclave’’<br />

autoalimentée intégrant la partie<br />

capteur infrarouge 8 voies et un module<br />

d’émission RF qui transmet les informations<br />

de température vers un module<br />

de réception RF ‘’maître’’ qui va traiter<br />

les signaux pour les transférer en trame<br />

numérique sur bus CAN vers le système<br />

d’acquisition de donnée.<br />

> Développement d’une nouvelle<br />

brique technologique<br />

Fig. 14 : vue de détail de la batterie<br />

intégrée à la cellule infrarouge esclave<br />

(boîtier ouvert)<br />

Aucun des modules d’émission / réception<br />

sans fil du marché était suffisamment<br />

miniaturisé pour répondre aux<br />

exigences du monde des essais embarqués<br />

en compétition automobile.<br />

Il a donc fallu concevoir de A à Z un tel<br />

module tout en acquérant en parallèle<br />

les compétences nécessaires en hardware<br />

et en software pour maîtriser la<br />

technologie Wireless en interne.<br />

Ces travaux de R&D et les différents<br />

prototypes qui ont été testés à la fois en<br />

Fig. 15 : dimensions d’une cellule<br />

IRN8W-S à comparer à celles de IRN8C<br />

laboratoire et en réel sur véhicules ont<br />

abouti à un système capteur + émetteur/récepteur<br />

Wireless validé et lancé<br />

en commercialisation en 2014.<br />

> Développements et résultats obtenus<br />

Les études ont suivi quatre axes principaux<br />

:<br />

• Choix de la bande de fréquence<br />

d’émission RF,<br />

• Choix du protocole d’émission/réception,<br />

• Recherche des composants (circuits<br />

d’émission / réception, antennes, etc.),<br />

• Choix de la solution d’alimentation.<br />

Les bandes utilisées les plus appropriées<br />

à ce type d’application sont : 433<br />

MHz, 868 MHz, 915 MHz et 2.4GHz.<br />

Compte-tenu des contraintes techniques<br />

imposées par la FIA (Fédération<br />

Internationale de l’Automobile) dans le<br />

Fig. 16 : détail de la face avant d’une<br />

cellule IRN8W-S<br />

règlement technique de la Formule 1,<br />

la bande de fréquence de 2.4 GHz est<br />

réservée et a donc dû être écartée. La<br />

bande 433 MHz, quant à elle, a été écartée<br />

pour des raisons de débit trop bas.<br />

Le système IRN8-W est donc fourni<br />

pour une utilisation au choix en 868<br />

MHz ou 915MHz. La bande de 868<br />

MHz est réservée pour les pays européens<br />

tandis que celle de 915 MHz est<br />

dédiée aux continents américains et<br />

d’Asie/ Océanie.<br />

Après diverses évaluations des protocoles<br />

RF présents sur le marché, aucun<br />

n’offrait les caractéristiques requises,<br />

notamment en termes de performance<br />

et de stabilité des communications RF,<br />

pour les applications aussi sévères<br />

qu’en courses automobiles. Il a donc<br />

été décidé de partir sur la conception<br />

d’un protocole propriétaire. Ce choix<br />

offre également l’avantage d’être autonome<br />

sur l’architecture du protocole et<br />

de permettre des évolutions ou modification<br />

rapides le cas échéant.<br />

Fig. 17 : système IRN8W<br />

La recherche des composants liés aux<br />

émissions/réceptions RF (microcircuits,<br />

antennes…) a été également un<br />

challenge important : il fallait trouver<br />

des composants à la fois miniaturisés<br />

et suffisamment puissants en terme<br />

d’émission, mais aussi consommant le<br />

moins possible. Les différents essais<br />

de nombreux composants ont permis<br />

de valider une solution technologique<br />

répondant à ces exigences. D’autre<br />

part, une approche sur les matériaux<br />

employés et leurs épaisseurs pour les<br />

boîtiers des capteurs et du module<br />

maître a également permis d’améliorer<br />

de façon notable la portée : de boîtiers<br />

mixtes en aluminium et couvercles<br />

plastiques pour le 1er prototype les<br />

ingénieurs ont finalement optés pour<br />

des boîtiers 100% en matière plastique<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 46


Dossier<br />

avec un important travail d’optimisation<br />

de l’épaisseur du module maître.<br />

Ainsi, et selon les applications (nature<br />

des matériaux environnants et composant<br />

le véhicule) la portée validée entre<br />

une cellule infrarouge ‘’esclave’’ et un<br />

module ‘’maître’’ se situe entre 5 et 10<br />

mètres. L’alimentation des cellules ‘’esclaves’’<br />

et leur autonomie sont également<br />

des paramètres cruciaux.<br />

Fig. 18 : schéma type d’implantation sur<br />

monoplace de circuit<br />

Une solution avec batteries rechargeables<br />

avait été retenue pour le premier<br />

système prototype. Après les<br />

essais de ce premier système en conditions<br />

réelles, cette solution s’est finalement<br />

avérée difficile d’utilisation :<br />

• Elle présentait une trop faible autonomie<br />

: 4 à 6 heures en continue<br />

• Et avait un impact conséquent sur la<br />

dimension minimum possible de la cellule<br />

‘’esclave’’.<br />

Ce principe n’a donc pas été retenu<br />

pour le système définitif qui intègre des<br />

batteries jetables (Fig. 14).<br />

Selon les paramètres d’échantillonnage<br />

et le taux d’utilisation, l’autonomie est<br />

de 16 à 20 heures. Le boîtier du module<br />

esclave a été conçu pour permettre une<br />

maintenance aisée et changer de batterie<br />

rapidement.<br />

D’autre part des systèmes simples et<br />

efficaces de la gestion de l’alimentation<br />

ont été mis en place :<br />

• un switch magnétique à l’intérieur du<br />

capteur gère la fonction marche / arrêt<br />

du capteur. Il est activé en plaçant un<br />

aimant sur la face avant du boîtier,<br />

• pour une optimisation de la consommation<br />

en fonctionnement, un accéléromètre<br />

3 axes est intégré au module esclave<br />

pour détecter si le véhicule est en<br />

mouvement. Si le véhicule reste immobilisé<br />

au-delà d’une certaine période,<br />

alors le capteur se met également en<br />

veille.<br />

D’autre part l’encombrement du module<br />

a pu être nettement optimisé pour<br />

aboutir à des dimensions à peine supérieures<br />

à celles du capteur IRN8-C<br />

filaire (Fig. 15).<br />

Le principe de la fenêtre remplaçable<br />

en PEHD a également été conservé<br />

comme on le voit sur la photo de détail<br />

ci-dessous (Fig. 16). On notera également<br />

la présence d’une LED qui indique<br />

que le capteur est en fonction.<br />

Le système validé IRN8-W (Fig. 17) est<br />

donc composé d’un récepteur relié en<br />

bus CAN vers l’enregistreur embarqué<br />

(module maître IRN8W-M). Le module<br />

maître peut gérer de 4 à 8 cellules infrarouge<br />

esclave (IRN8W-S).<br />

A titre d’exemple voici le schéma d’implantation<br />

type d’un système texense®<br />

IRN8-W sur une monoplace (Fig. 18).<br />

La cellule IRN8W-S intègre les mêmes<br />

éléments sensibles et composants<br />

que ceux employés sur le capteur<br />

IRN8-C ; les performances de mesure<br />

d’IRN8W-S sont donc strictement identiques,<br />

y compris la fréquence d’échantillonnage<br />

pouvant aller jusqu’à 10 Hz.<br />

Le boîtier maître IRN8W-M interroge<br />

les cellules esclaves et reçoit donc en<br />

RF les valeurs de température pour les<br />

transférer en CAN vers l’enregistreur de<br />

données embarqué selon le même protocole<br />

développé et utilisé pour IRN8-C.<br />

Conclusion : développement et migration<br />

de la technologie Wireless sur les<br />

capteurs texense®<br />

La rupture technologique portée par le<br />

nouveau capteur infrarouge texense®<br />

IRN8-C a permis aux ingénieurs d’essais<br />

en Formule 1 de disposer d’instruments<br />

de mesure fiables et performants<br />

et de les aider à mieux exploiter les<br />

pneumatiques et les monoplaces grâce<br />

à une mesure plus efficace de la température<br />

de la bande de roulement des<br />

pneus.<br />

Le développement d’une solution Wireless<br />

permet aux ingénieurs de Texys<br />

de maîtriser une nouvelle brique technologique<br />

et de la faire évoluer pour<br />

d’autres applications.<br />

Il est notamment envisagé d’utiliser la<br />

bande de fréquence 2.4 GHz et éventuellement<br />

l’UWB (Ultra Wide Band : 3<br />

à 5 GHz) pour répondre à des applications<br />

de mesure de température dans<br />

des secteurs industriels (mesure sur<br />

pièces tournantes dans l’aéronautique<br />

ou dans le forage pétrolier).<br />

D’autre part, ces travaux de R&D ont<br />

permis d’aboutir à un module RF (Slave<br />

+ master) compatible vers les autres<br />

capteurs & conditionneurs numériques<br />

CAN texense® : conditionneur de<br />

thermocouple multivoies, capteur de<br />

pression différentielle multivoies, amplificateur<br />

de jauges de contraintes multivoies.<br />

Étienne Deméocq, co-gérant, directeur<br />

technique, Philippe Leuwers, co-gérant,<br />

directeur commercial, Sylvain Bereski,<br />

directeur R&T, David Garnier, ingénieur<br />

Technico-Commercial (TEXYS)<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 47


Dossier<br />

Technique de mesure<br />

Dispositif de mesure rapide de température par Thermocouple<br />

Les moyens de mesures dans les centres et laboratoires d’essais d’environnement doivent répondre à<br />

des exigences de précision, de vitesse, de polyvalence, de plage et de coût, souvent contradictoires.<br />

La température qui représente la grandeur physique la plus mesurées dans ces laboratoires, jusqu’à<br />

80% des capteurs sur certains moyens d’essai, n’échappe pas à ce constat. Les thermocouples, notamment<br />

de type T et K, répondent partiellement à ces exigences d’essais, tout en présentant quelques<br />

limites techniques, lesquelles ont été franchies grâce au projet européen MIMECOR-VT*.<br />

Les thermocouples sont des capteurs<br />

largement utilisés en raison de leurs<br />

multiples avantages :<br />

• Une large plage de mesure : de -1200<br />

°C à 400 °C pour les TC de type K<br />

(Chromel-Alumel).<br />

• Un temps de réponse court (fonction<br />

du diamètre) : 50 ms pour un diamètre<br />

de 0.5 mm.<br />

• Un faible coût.<br />

Cependant, leurs mesures, très entachées<br />

de bruit, conduisent à une précision<br />

modeste et une vitesse de mesure<br />

très faible (plusieurs secondes par acquisition).<br />

Ce défaut est dû à l’absence<br />

de technique de mesure permettant de<br />

réduire le bruit de mesure sans, pour<br />

autant, baisser la vitesse d’acquisition.<br />

Les travaux de recherche, dont<br />

les résultats sont présentés ici, menés<br />

dans le cadre du projet MIMECOR-VT,<br />

visaient justement la levée de ce verrou<br />

en développant une nouvelle technique<br />

de mesure de température par<br />

thermocouple alliant à la fois précision<br />

et vitesse de mesure.La technique<br />

développée est basée sur l’application<br />

de la théorie d’estimation optimale<br />

au traitement du signal délivré par les<br />

thermocouples. Cette discipline fait<br />

partie de l’automatique et s’attache à<br />

l’extraction optimale de l’information<br />

utile à partir d’observations bruitées.<br />

Elle offre une large palette de techniques<br />

adaptées à diverses conditions<br />

opérationnelles : Filtre de Kalman, Algorithme<br />

de Viterbi, Filtre de Volterra,<br />

Filtre particulaire, etc. Outre les performances<br />

supérieures en termes de<br />

vitesse, de précision et de robustesse<br />

de la mesure, cette approche conduit à<br />

une réduction du coût de la station de<br />

mesure de température par TC grâce<br />

au transfert vers le calcul numérique,<br />

moins coûteux, de la réduction du bruit<br />

de mesure, classiquement assurée<br />

par le conditionnement et le traitement<br />

analogique du signal.<br />

Principe de mesure de température<br />

par thermocouple<br />

Un thermocouple est un montage<br />

constitué de deux fils de métaux différents,<br />

soudés à l'une de leurs extrémités.<br />

Cette jonction porte le nom de<br />

"soudure chaude". Elle doit être installée<br />

au point de mesure. Les deux<br />

autres extrémités sont reliées aux<br />

bornes de l’instrument de mesure. Les<br />

jonctions ainsi formées portent le nom<br />

de "soudures froides".<br />

La mesure de température par thermocouple<br />

exploite l'effet Seebeck.<br />

La tension aux bornes du capteur est<br />

fonction de la température de la "soudure<br />

chaude" et de la température<br />

des "soudures froides". Il est donc<br />

nécessaire que les températures des<br />

"soudures froides" soient égales et<br />

connues pour permettre une conversion<br />

aisée de la tension mesurée en<br />

température. Cette conversion se fait à<br />

l’aide de des tables de conversion.<br />

> Effets Thermoélectriques<br />

Lorsqu’une chaîne de conducteurs M1-<br />

M2-M1, constituée de deux matériaux<br />

différents est en boucle ouverte, un potentiel<br />

électrique est généré entre les<br />

deux bornes non reliées de la boucle<br />

s'il existe un gradient de température<br />

dans la boucle, c’est-à-dire si les deux<br />

jonctions M1-M2 sont à des températures<br />

différentes. Cet effet thermoélectrique,<br />

illustré par la Figure 1, est<br />

connu sous le nom d’Effet Seebeck [1].<br />

Cet effet est caractérisé par le coefficient<br />

de Seebeck que l'on définit<br />

comme le rapport de la tension à l'écart<br />

de température lorsque ce dernier est<br />

infiniment petit :<br />

Par exemple, pour une jonction Cuivre/<br />

Constantan a 12<br />

(273 k) = 39µV. K −1 .<br />

En fait, l’effet Seebeck est un effet<br />

thermoélectrique lié à la somme de<br />

deux effets : les effets Peltier et Thomson<br />

[1].<br />

> Dispositif de mesure de température<br />

par TC<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 48


Dossier<br />

Figure 1 - Schéma de principe<br />

de l'effet Seebeck<br />

Figure 2 - Dispositif de mesure de température<br />

par thermocouple<br />

La Figure 2 présente le dispositif<br />

de mesure de température par thermocouple.<br />

Il est composé :<br />

• d’un thermocouple (TC) : une chaine<br />

de conducteurs M1-M2, dont la jonction<br />

chaude est placée au point de<br />

mesure de température et dont les<br />

extrémités sont connectées à l’instrument<br />

de mesure<br />

• d’un bloc isotherme qui garantit que<br />

les extrémités du TC sont à la même<br />

température T f<br />

.<br />

• d’une sonde pour la mesure de la<br />

température de la soudure froide T f<br />

.<br />

• d’un instrument de mesure (Voltmètre)<br />

pour mesurer la tension délivrée<br />

par le TC.<br />

Grâce à l’effet Seebeck et la loi des<br />

métaux intermédiaires, la tension au<br />

borne du voltmètre ne dépend que des<br />

températures T f<br />

et T c<br />

, et des conducteurs<br />

M1-M2.<br />

La mesure de cette tension E(T f<br />

,T c<br />

) et<br />

celle de la température de la soudure<br />

froide T f<br />

permettent de déterminer la<br />

température d’intérêt T c<br />

à l’aide d’une<br />

table de conversion établie à partir<br />

d'une température de référence T 0<br />

(en<br />

général 0°C). Ceci est rendu possible<br />

par application de la loi des températures<br />

intermédiaires : E(T 0<br />

, T c<br />

) = E(T 0<br />

,<br />

T f<br />

) + E(T f<br />

, T c<br />

) où E(T f<br />

, T c<br />

) est la tension<br />

mesurée, E(T 0<br />

,T f<br />

) est une tension de<br />

compensation de la soudure froide obtenue<br />

par la connaissance de T f<br />

et de<br />

la table de conversion et E(T 0<br />

,T c<br />

) est la<br />

tension résultante permettant la détermination<br />

de T c<br />

.<br />

La mesure de température par thermocouples<br />

est sujette à des perturbations<br />

d’origine diverses :<br />

• Interaction du capteur avec son milieu<br />

: échanges thermiques indésirables<br />

par convection ou rayonnement.<br />

• Signaux parasites d’origine interne<br />

ou externe à la chaîne de mesure :<br />

couplage capacitif, couplage inductif,<br />

tension de mode commun, etc. <br />

Elle nécessite donc des précautions de<br />

mise en œuvre pour réduire les bruits<br />

et améliorer la précision :<br />

• Positionnement et collage du capteur<br />

sur le spécimen (cf. Figure 3).<br />

• Utilisation de circuit de garde efficace:<br />

câblage, blindages, connectiques, etc.<br />

[2]<br />

• Référencement de la source et des<br />

blindages à la masse de l’instrumentation.<br />

[2]<br />

• Amplification et conditionnement du<br />

signal dès les premiers éléments de la<br />

chaîne.<br />

Figure 3 - Collage de thermocouple sur<br />

un spécimen<br />

La mesure de la tension délivrée par<br />

le thermocouple est généralement<br />

réalisée au moyen d’un voltmètre numérique<br />

intégrateur (VI) basé sur un<br />

convertisseur<br />

analogique-numérique<br />

double rampe qui permet, sous certaines<br />

conditions, de mesurer la valeur<br />

moyenne de la tension d'entrée V x<br />

sur<br />

une durée T int<br />

fixe appelée période<br />

d'intégration :<br />

La Figure 4 présente le schéma de<br />

principe d’un tel convertisseur.<br />

Figure 4 - CAN double rampe d’un voltmètre<br />

intégrateur<br />

> Performances et limitations<br />

Le voltmètre intégrateur (VI) permet de<br />

réduire le bruit de mesure de la tension<br />

du thermocouple lorsque la température<br />

mesurée est quasi-constante. En<br />

effet, la valeur moyenne délivrée par<br />

levoltmètre correspond dans ce cas<br />

à :<br />

où δV représente le bruit de mesure de<br />

la tension. Le second terme de cette<br />

expression converge, en vertus de la loi<br />

des grands nombres, vers zéro dans le<br />

cas de bruit blanc gaussien. Ceci n’est<br />

plus le cas, lorsque la vitesse de variation<br />

de la température est importante<br />

vis-à-vis de la durée d’intégration T int<br />

.<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 49


Dossier<br />

Le voltmètre délivre alors une mesure<br />

biaisée correspondant à<br />

Notons que cette mesure ne correspond<br />

pas à la température moyenne<br />

sur la période d’intégration, en raison<br />

de la non-linéarité de la fonction de<br />

conversion température-tension. La<br />

réduction du temps d’intégration int,<br />

pour pallier ce biais, conduit à une augmentation<br />

du bruit de mesure et à une<br />

mauvaise précision de la mesure délivrée,<br />

comme l’illustre la Figure 5.<br />

Figure 5 - Bruit de mesure d’un VI en<br />

fonction de la vitesse d’acquisition<br />

De plus, l’intégration cohérente longue<br />

permise par le VI dans le cas stationnaire<br />

(température quasi-constante)<br />

est accessible par des techniques de<br />

filtrage optimal sans limitation de la fréquence<br />

de mesure. En effet, de telles<br />

techniques réalisent, dans ce cas favorable,<br />

une moyenne « glissante »<br />

permettant de délivrer des mesures à<br />

une fréquence plus élevée tout en réduisant<br />

le bruit.<br />

Outil de mesure rapide MIME-<br />

COR-VT<br />

> Principe<br />

Le principe de l’outil de mesure de<br />

température, développé dans le cadre<br />

du projet MIMECOR-VT, consiste à<br />

remplacer le voltmètre intégrateur par<br />

un filtre optimal numérique permettant<br />

une mesure rapide et précise de<br />

la température. Cette substitution et<br />

les performances visées, en termes<br />

de vitesse notamment, ont néanmoins<br />

conduit à une modification de la chaine<br />

de conditionnement du signal (Amplification,<br />

multiplexage, échantillonnage<br />

et numérisation) pour l’adapter à cette<br />

nouvelle technique de mesure.<br />

> Rappel filtrage optimal<br />

D’une manière générale, le problème<br />

d’estimation dynamique consiste à reconstruire<br />

un processus stochastique<br />

à partir de son observation partielle et<br />

bruitée. Le filtrage optimal concerne,<br />

en particulier, l’estimation de la valeur<br />

courante.<br />

Concrètement, pour un processus<br />

stochastique x k<br />

à réalisation markovienne,<br />

régi par l’équation dynamique<br />

: x k<br />

+1 = f k<br />

(x k<br />

, w k<br />

), où wkreprésente un<br />

bruit source indépendant, et observé à<br />

travers un processus bruité y k<br />

= h k<br />

(x k<br />

,<br />

v k<br />

), où vkreprésente le bruit de mesure<br />

indépendant, le filtrage consiste à<br />

déterminer, à partir des mesures disponibles,<br />

le meilleur estimateur x k<br />

de<br />

l’état courant optimisant un critère de<br />

performance donné.<br />

L’estimateur à minimum de variance,<br />

largement utilisé, consiste à minimiser<br />

l’erreur quadratique moyenne donnée<br />

par :<br />

Il coïncide avec l’espérance conditionnelle<br />

de l’état donnée par :<br />

La résolution du problème de filtrage<br />

optimale peut être obtenue récursivement<br />

en deux étapes :<br />

• Une étape de prédiction selon l’équation<br />

de dynamique. Elle est donnée<br />

dans le cas du minimum de variance<br />

par l’équation de Chapman-Kolmogrov.<br />

• Une étape de correction au vue de<br />

la nouvelle observation basée sur la<br />

règle de Bayes. Seuls deux cas particuliers<br />

possèdent une solution exacte :<br />

Le cas linéaire-gaussien à travers le<br />

filtre de Kalman, et le cas d’une variable<br />

d’état discrète dans un alphabet<br />

fini à travers l’algorithme de Viterbi.<br />

Dans le cas général d’un système<br />

non-linéaire et/ou non-gaussien, de<br />

nombreuses solutions approchées ont<br />

été proposées dans la littérature, telles<br />

que: Unscented Kalman Filter (UKF),<br />

Interactive multiple model (IMM), les<br />

filtres particulaires ... (cf. [3] et [4] pour<br />

plus de détails)<br />

> Application à la mesure de température<br />

par TC<br />

. Modélisation du problème et caractérisation<br />

des bruits de mesure<br />

L’application des techniques de filtrage<br />

optimal à la mesure de température par<br />

thermocouple nécessite, au préalable,<br />

la modélisation du système d’état et la<br />

caractérisation des bruits de mesure :<br />

• Equation de dynamique : Dans un<br />

premier temps un modèle physique<br />

a été obtenu à partir du bilan thermique<br />

au niveau de jonction chaude<br />

du thermocouple. Ce modèle a ensuite<br />

été discrétisé, réduit et simplifié pour<br />

aboutir à une version discrète à trois<br />

variables d’état comportant la température<br />

mesurée et ces deux dérivées<br />

premières.<br />

• Equation d’observation: Le modèle<br />

d’observation, reliant la tension de sortie<br />

à la température mesurée, retenu<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 50


Dossier<br />

correspond à une fonction polynomiale<br />

de conversion inverse : température<br />

vers tension. Il est obtenu par une méthode<br />

d’interpolation à partir des tables<br />

de conversion standards ou expérimentales<br />

(étalonnage).<br />

• Caractérisation des bruits de mesure<br />

: Une étude théorique des différentes<br />

sources de bruits de mesure a<br />

été réalisée. Elle a permis de définir<br />

les campagnes d’essai de caractérisation<br />

nécessaires. Ces campagnes<br />

d’essai ont permis de quantifier ces<br />

bruits et d’en identifier les plus significatifs.<br />

Selon la nature et l’effet des<br />

différents bruits, ainsi caractérisés,<br />

des solutions ont été préconisées<br />

pour les réduire. Certaines de ces<br />

solutions reprennent les précautions<br />

de mise en œuvre classiques de la<br />

mesure par thermocouples, tels que<br />

le torsadage ou l’isolation des câbles<br />

des TC. D’autres solutions intégrées<br />

dans les techniques de filtrage optimal<br />

ont consisté à la prise en compte du<br />

bruit de mesure correspondant dans le<br />

modèle d’observation. Enfin, certains<br />

bruits, telle la tension du mode commun,<br />

nécessiteront une architecture<br />

spécifique. Etudiée dans le cadre du<br />

projet, elle sera mise en œuvre dans<br />

de prochaine version de l’instrument<br />

de mesure.<br />

. Adaptation et étude comparative de<br />

techniques de filtrage optimal :<br />

Cinq techniques de filtrage optimal<br />

candidates ont été identifiées et adaptées<br />

au problème de mesure de températures<br />

par thermocouple. Elles ont<br />

été comparées en simulation à une<br />

chaine classique de mesure (comportant<br />

un voltmètre intégrateur). Les indicateurs<br />

de performances retenus pour<br />

cette étude comparative sont :<br />

• L’Erreur Quadratique Moyenne<br />

(EQM) de mesure tant en régime transitoire<br />

qu’en régime permanent (palier<br />

de température constante).<br />

• Le biais de mesure qui correspond à<br />

l’erreur moyenne de mesure.<br />

• Le temps de calcul par échantillon.<br />

Ce dernier critère permet d’évaluer la<br />

faisabilité temps- réel de la solution<br />

étudiée et d’optimiser les exigences en<br />

termes de capacité calculatoire de la<br />

solution retenue.Cette étude a permis<br />

de sélectionner la technique de filtrage<br />

optimale réalisant le meilleur ratio gain<br />

en performances sur charge de calcul.<br />

. Implémentation : Architecture HW/<br />

SW<br />

La nouvelle technique de mesure rapide<br />

de température a été implémentée<br />

sur une architecture matérielle<br />

adaptée composée de trois modules :<br />

• Un module d’acquisition : intégrant<br />

l’amplification, le multiplexage et la<br />

numérisation de plusieurs voies de<br />

mesure, il permet le conditionnement<br />

adapté du signal TC en vue du traitement<br />

numérique.<br />

• Un module de traitement : il intègre<br />

le microprocesseur dédié au traitement<br />

numérique du signal TC, ainsi que les<br />

mémoires nécessaires. Il embarque,<br />

notamment le logiciel de filtrage optimal.<br />

• Un module communication : Il gère<br />

Figure 6 - Architecture de l’outil de<br />

mesure rapide de température par thermocouple<br />

(prototype 15 voies)<br />

les périphériques (affichage et saisie)<br />

et les ports de communications (USB,<br />

ETH...) de l’instrument de mesure<br />

et dispose d’un microcontrôleur dédié.<br />

Cette architecture modulaire, représentée<br />

sur la Figure 6, a été pensée<br />

afin de minimiser l’effort de conception<br />

lors de la déclinaison du prototype<br />

développé dans le cadre du projet en<br />

produits de tailles (nombre de voies)<br />

variées. <br />

> Performances <br />

La démonstration des performances<br />

du nouveau dispositif de mesure de<br />

température par TC a été effectuée en<br />

trois étapes :<br />

• Phase de test en simulation.<br />

• Phase de validation métrologique sur<br />

données réelles (Traitement différé).<br />

• Benchmark temps-réel avec une station<br />

classique. Ces trois étapes ont<br />

donné des résultats concluants et ont<br />

permis de démontrer la supériorité,<br />

tant au niveau de la vitesse qu’au niveau<br />

de la précision, de la technique<br />

développée par rapport aux dispositifs<br />

classiques de mesure de température<br />

par thermocouples. Les figures 7, 8 et<br />

9 présentent les résultats de la comparaison<br />

des performances en simulation<br />

de :<br />

• la solution MIMECOR-VT avec une<br />

vitesse d’acquisition de 20 ms/voies.<br />

• Deux configurations de voltmètre<br />

intégrateur : 20 ms/voies et 100 ms/<br />

voies.<br />

Elles montrent une erreur quadratique<br />

moyenne (EQM) de la technique<br />

MIMECOR-VT jusqu’à cinq fois plus<br />

faible, y compris en comparaison à un<br />

VI avec une période d’acquisition 5 fois<br />

plus lente (100 ms). Cette supériorité<br />

est indépendante du niveau du bruit de<br />

mesure considéré (cf. Figure 8).<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 51


Dossier<br />

Figure 7 - Mesures de température<br />

comparées : MIMECOR-VT (20 ms) vs VI<br />

(20 ms et 100 ms).<br />

La validation métrologique sur données<br />

réelles a été réalisée à l’aide du<br />

dispositif d’essai présentée sur la Figure<br />

11. Ce dispositif, construit autour<br />

d’un banc de test certifié COFRAC, a<br />

permis l’enregistrement des tensions<br />

mesurées pour différents paliers de<br />

température. Ces jeux de données ont<br />

ensuite été traités par le filtre numérique<br />

et les résultats comparés à ceux<br />

obtenues sur le banc par la station<br />

classique de mesure.<br />

obtenus par ces essais. On y constate<br />

une précision de 3 à 5 fois meilleure<br />

que celle d’un voltmètre intégrateur,<br />

conformément aux résultats obtenus<br />

en simulation.<br />

Figure 13 - Tableau des performances<br />

sur données réelles : MIMECOR-VT (20<br />

ms) vs VI (20 ms et 100 ms).<br />

Figure 8 - Comparaison des performances<br />

de mesures : MIMECOR-VT (20<br />

ms) vs VI (20 ms et 100 ms).<br />

Figure 9 - Tableau comparatif des performances<br />

de mesures : MIMECOR-VT<br />

(20 ms) vs VI (20 ms et 100 ms).<br />

Pour une vitesse d’acquisition plus<br />

lente, d’une seconde par voie, la solution<br />

MIMECOR-VT conserve sa supériorité<br />

notamment en régime transitoire<br />

(hors paliers de température stable).<br />

L’EQM en régime permanent permise<br />

par cette solution est équivalente à<br />

celle délivrée par un voltmètre intégrateur<br />

pour une période d’acquisition de<br />

5 s (cf Tableau comparatif de la Figure<br />

10).<br />

Figure 10 - Tableau comparatif des performances<br />

de mesures : MIMECOR-VT<br />

(1 s) vs VI (1 s et 5 s).<br />

Figure 11 - Dispositif d’essai pour<br />

la validation métrologique sur<br />

données réelles.<br />

Les résultats obtenus par ces essais,<br />

et illustrés par la Figure 12, confirment<br />

la supériorité de la technique de<br />

mesure MIMECOR-VT. En effet, on<br />

constate sur la figure 12 que les mesures<br />

du voltmètre intégrateur à 20 ms<br />

(courbes bleu-ciel) et à 100 ms (courbe<br />

noir) sont nettement plus bruitées que<br />

celles délivrées par le traitement MI-<br />

MECOR-VT (courbe violette).<br />

Figure 12 - Résultats d’essai de validation<br />

sur données réelles : MIMECOR-VT<br />

(20 ms) vs VI (20 ms et 100 ms)<br />

Le tableau de la Figure 13 présente les<br />

indicateurs de performances (EQM)<br />

Cette même conformité entre simulation<br />

et données réelles est obtenue<br />

pour des mesures lentes (1 s), où la<br />

solution MIMECOR-VT permet une<br />

précision équivalente à celle d’un voltmètre<br />

intégrateur.<br />

Enfin, la dernière phase de validation<br />

a été réalisée avec le module d’acquisition<br />

MIMECOR-VT et un traitement<br />

temps-réel déportée sur PC. Ce<br />

benchmark a permis de comparer en<br />

temps-réel et sous conditions opérationnelles<br />

identiques un prototype de la<br />

solution MIMECOR-VT à une centrale<br />

d’acquisition classique. La référence<br />

de la température mesurée a été obtenue<br />

par une station de mesure dédiée<br />

assortie d’une sonde PT100. La Figure<br />

14 présente le principe de ce benchmark.<br />

Figure 14 - Schéma de principe du<br />

Benchmark temps-réel : Solution MIME-<br />

COR-VT vs Station classique<br />

La Figure 15 illustre quant à elle le<br />

résultat de cet essai comparatif. On<br />

y constate une nette supériorité de la<br />

solution MIMECOR-VT en termes de<br />

précision de mesure, alors même que<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 52


Dossier<br />

la vitesse d’acquisition a été portée à<br />

1.7ms/voie, soit près de 30 fois plus<br />

rapide que la station classique de mesure<br />

(50 ms/voie).<br />

Figure 15 - Résultats d’essai comparatif<br />

temps-réel : MIMECOR-VT (1.7 ms) vs<br />

Station classique (50 ms)<br />

Ces résultats sont synthétisés dans<br />

le tableau de la Figure 16. La solution<br />

MIMECOR-VT permet une précision<br />

de mesure 10 fois meilleure (EQM de<br />

0.1°C) pour une vitesse d’acquisition<br />

30 fois supérieure (1.7 ms /voie).<br />

Figure 16 - Tableau des performances d’essai<br />

comparatif temps-réel : MIMECOR-VT<br />

(1.7 ms) vs Station classique (50 ms).<br />

Perspectives<br />

> Perspectives produits<br />

Le prototype, 15 voies, de la station<br />

de mesure rapide de température par<br />

thermocouple est en cours de finalisation<br />

et de validation.<br />

Il sera ensuite décliné en trois gammes<br />

de produits adaptés à des usages différents<br />

:<br />

• Une petite station de mesure de 18<br />

voies. Elle sera dotée de périphériques<br />

d’affichage et de contrôle permettant<br />

une utilisation autonome sans PC.<br />

• Deux grandes stations de mesures,<br />

dédiées aux bancs d’essais, respectivement<br />

de 128 et de 300 voies. Plus<br />

rudimentaire dans leur conditionnement,<br />

ses 2 versions possèderont<br />

néanmoins un affichage et des boutons<br />

de contrôle permettant notamment<br />

la préparation des essais (Affichage<br />

et sélection pour « Finger test<br />

», notamment). La configuration de<br />

l’essai à proprement parler se fera à<br />

travers d’un PC de contrôle via une<br />

connexion USB ou Ethernet. Afin de<br />

satisfaire les attentes des professionnels<br />

et les exigences du marché, fort<br />

concurrentiel, l’accent sera porté, pour<br />

toutes ces versions, sur la pertinence<br />

des informations transmises, l’ergonomie<br />

des stations et leur robustesse.<br />

> Intégration d’une compensation<br />

active de l’IMC<br />

La validation métrologique sur données<br />

réelles a permis de révéler une<br />

meilleure robustesse de la technique<br />

de mesure de température MIME-<br />

COR-VT aux perturbations du mode<br />

commun comparée aux techniques<br />

classique (Voltmètre Intégrateur). Le<br />

tableau de la Figure 17 présente une<br />

synthèse de ces résultats obtenus par<br />

injection d’un courant de mode commun<br />

à différentes fréquences lors de<br />

ces essais. Il révèle que, quelle que<br />

soit la fréquence injectée, la technique<br />

MIMECOR-VT résiste mieux à cette<br />

perturbation. L’erreur maximale induite<br />

pour la technique MIMECOR-VT est<br />

inférieure à 4°C, là où celle de la technique<br />

classique dépasse les 14°C.<br />

Figure 17 - Tableau comparatif des effets de<br />

la perturbation du mode commun : MIME-<br />

COR-VT (20 ms) vs VI (20 ms).<br />

Afin d’améliorer d’avantages cette robustesse<br />

aux perturbations du mode<br />

commun, une technique de compensation<br />

active de l’Imc est déjà à l’étude.<br />

Les premiers résultats obtenus sont<br />

très encourageants et laissent présager<br />

une potentielle intégration de<br />

cette compensation dès les deuxièmes<br />

versions des produits envisagés.La<br />

Figure 18, ainsi que le tableau de la<br />

Figure 19, présentent les résultats préliminaires<br />

obtenus en simulation pour<br />

deux techniques filtrage candidates et<br />

trois architectures de compensation<br />

active. Ces six solutions potentielles<br />

permettent de réduire considérablement<br />

l’effet de l’Imc sur la qualité de la<br />

mesure sans engendrer, pour autant,<br />

une augmentation rédhibitoire de la<br />

charge de calcul. Une étude comparative<br />

approfondie sera menée afin<br />

de sélectionner la solution réalisant le<br />

meilleur compromis robustesse/charge<br />

de calcul.<br />

Figure 18 - Performances en simulation de<br />

différentes architectures candidates pour la<br />

compensation active d’Imc<br />

Figure 19 - Tableau comparatif de différentes<br />

solutions candidates pour la compensation<br />

active d’Imc<br />

Conclusion<br />

Dans cet article, nous avons présenté<br />

un nouveau dispositif de mesure de<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 53


Dossier<br />

température par thermocouples (TC).<br />

Ce dispositif permet d’améliorer à la<br />

fois la vitesse de mesure (jusqu’à 20<br />

ms/voie) et sa précision (de l’ordre de<br />

0.1°C). De telles performances, inédites,<br />

permettent, d’une part, d’étendre<br />

l’usage des TC à la mesure rapide de<br />

température (choc thermique, mesure<br />

de température de flammes, etc.), et<br />

d’autres part, d’améliorer la qualité de<br />

la mesure dans les cas d’utilisation<br />

déjà existants (Synchronisation, rapidité,<br />

précision, etc.).<br />

Un prototype opérationnel de ce dispositif<br />

est en cours de finalisation et de<br />

validation dans les conditions d’essais<br />

d’environnement et notamment d’essais<br />

vide-thermique. Il sera, ensuite,<br />

décliné en trois gammes de produits<br />

visant à couvrir plusieurs tranches du<br />

marché de la mesure thermique par TC.<br />

En plus de cette perspective produit,<br />

de nouveaux défis technologiques sont<br />

actuellement relevés : Compensation<br />

active du mode commun, Mesure de<br />

température déportée et Réseaux de<br />

capteurs intelligents (Projet RCTI).<br />

* MIMECOR-VT : « Méthodes Innovantes<br />

pour la MEsure et le COntRôle<br />

des caissons d’essais Vide Thermique<br />

» est un projet R&D collaboratif mené<br />

par le consortium : DSi, Intespace,<br />

LAAS-CNRS, TSR et EREMS. Lauréat<br />

de l’appel à projet IRIS 2010 de la<br />

DIRECCTE Midi- Pyrénées, il est cofinancé<br />

par l’Union européenne avec<br />

le Fonds européen de développement<br />

régional (FEDER) + INSÉRER LA FI-<br />

GURE 00<br />

Références<br />

[1] G. BONNIER et E. DEVIN,<br />

«Couples thermoélectriques Caractéristiques<br />

et mesure de température,»<br />

Editions T.I., 2014.<br />

[2] G. ASCH et collaborateurs, Acquisition<br />

de données du capteur à l’ordinateur,<br />

Dunod, 2003.<br />

[3] B. D. O. Anderson et J. B. Moore,<br />

Optimal Filtering, Prentice-Hall, 1979.<br />

[4] A. Ziadi, «Particules Gaussiennes<br />

Déterministes en Maximum de Vraisemblance<br />

Non-linéaire: Application<br />

au Filtrage Optimal des Signaux RA-<br />

DAR et GPS,» 2007.<br />

Caractérisation<br />

Mieux appréhender les transferts thermiques<br />

par des outils de mesure fiables<br />

Afin de pouvoir mieux appréhender et comprendre les transferts thermiques qui nous entourent que<br />

ce soit dans les domaines variés de l’industrie, dans ceux du bâtiment ou bien encore environnemental,<br />

les besoins en matière de caractérisation thermophysiques des matériaux se font grandissant. Il<br />

est utile de disposer d’outils de mesure fiable, robuste et peu couteux. Notre FP2C offre une réponse<br />

intéressante à ces contraintes.<br />

Conductivimètre fil chaud<br />

La méthode du fil chaud a été développée<br />

au début des années 30 par<br />

B. Stalhane et S. Pyk pour la mesure<br />

de la conductivité thermique de matériaux.<br />

Elle permet aujourd’hui de caractériser<br />

quasiment tout type de milieu :<br />

gazeux, liquide, solide ou poreux. La<br />

méthode a bien évidemment subi de<br />

nombreuses améliorations [Vries 58,<br />

Grazz 96] au cours des dernières décennies.<br />

Elle est actuellement la plus<br />

usitée dans le milieu industriel.<br />

Notre dispositif est constitué d’une<br />

sonde à chocs thermiques, à placer<br />

entre deux échantillons du matériau<br />

à caractériser (montage symétrique),<br />

d’un boîtier d’acquisition électronique<br />

et d’un logiciel de type interface graphique<br />

pour piloter les essais et traiter<br />

les résultats.<br />

Principe<br />

Le principe de la sonde à chocs est de<br />

produire localement un échauffement<br />

faible du matériau (quelques degrés au<br />

dessus de la température ambiante)<br />

et de mesurer la réponse dynamique<br />

thermique (durée de quelques minutes).<br />

Par un traitement mathématique<br />

de ce signal, l’identification de la<br />

conductivité thermique est réalisée.<br />

Ce principe de sonde et de dispositif<br />

a été développé par le CSTB (Centre<br />

Scientifique et Technique du Bâtiment).<br />

Il dérive également de la norme ASTM<br />

D5930-97 et de la recommandation RI-<br />

LEM AAC 11-3.<br />

Notre appareil utilise une technologie<br />

innovante de type circuit polyimide<br />

kapton double face permettant de graver<br />

sur une face une piste en constantan<br />

dont la propriété recherchée est<br />

une stabilité de sa résistance ohmique<br />

avec la température, et sur l’autre face<br />

une piste en cuivre. La jonction électrique<br />

entre la piste constantan et la<br />

piste cuivre induit la création d’un thermocouple<br />

de type T. De manière générale,<br />

toute forme de circuit est possible,<br />

et le nombre de thermocouples peut<br />

être variable au besoin.<br />

Le conductivimètre fil chaud peut être<br />

complété d’une sonde plan chaud<br />

(estimation de l’effusivité thermique),<br />

d’une sonde anneau chaud (estimation<br />

de la diffusivité thermique), ou<br />

d’une sonde tige chaude (conductivité<br />

thermique des milieux granulaires) et<br />

de leurs logiciels associés.<br />

Elian Coment et Stéphane Palaprat<br />

(NéoTIM)<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 54


Dossier<br />

Technologies<br />

Capteurs miniatures de température<br />

sans fils pour suivi d’essais<br />

Pendant leur vie, les satellites rencontrent des températures allant de -190°C à 150°C. La robustesse<br />

et la régulation thermique dans ces conditions représentent un point crucial pour atteindre des missions<br />

pouvant durer jusqu’à quinze ans. Afin de garantir un comportement thermique correct, des tests<br />

fonctionnels sont effectués au sol dans des enceintes mises sous vide. Ces tests TVAC (Thermal VA-<br />

Cuum) visent à contrôler la température d’un grand nombre de points, à l’intérieur comme à l’extérieur<br />

du satellite.<br />

Enceinte de test vide thermique<br />

Les conditions de test varient d’un modèle<br />

à un autre. Les plus longs peuvent<br />

durer jusqu’à 3 mois avec 800 points de<br />

mesure, générant une grande quantité<br />

de données provenant d’un large déploiement<br />

de capteurs. Les tests TVAC<br />

rentrent parfaitement dans le périmètre<br />

des applications pour lesquelles l’utilisation<br />

des Wireless Sensors Network<br />

(WSN) peut apporter flexibilité, fiabilité<br />

et économie.<br />

C’est dans ce cadre qu’Intesens est<br />

chargée de l’étude, le développement<br />

et l’industrialisation de capteurs<br />

de température miniaturisés et autonomes<br />

pouvant assurer, voire dépasser,<br />

les performances du système de<br />

mesure actuel. Bien que conçu pour le<br />

monde de l’aérospatiale, ces capteurs<br />

sont adaptés pour être utiliser dans<br />

d’autres environnements où la taille, la<br />

densité de points et la performance de<br />

mesure est un challenge.<br />

Contexte<br />

Aujourd’hui, les tests TVAC sont réalisés<br />

avec un long réseau de thermocouples<br />

câblés, partant de la baie<br />

d’acquisition située à l’extérieur de<br />

l’enceinte thermique pour aller jusqu’au<br />

point de mesure. Ces câbles peuvent<br />

atteindre 30m de long et le faisceau<br />

composé de 800 thermocouples. Cela<br />

implique de lourdes contraintes, la principale<br />

étant le temps de déploiement<br />

impacté par la complexité du routage<br />

de chaque thermocouple à travers le<br />

satellite jusqu’au point de mesure.<br />

D’autre part, en fin de test, la plupart<br />

des thermocouples situés à l’intérieur<br />

ne sont pas accessibles. La majorité<br />

des thermocouples sont donc laissés à<br />

l’intérieur, devenant une masse morte<br />

pour le satellite.<br />

L’objectif du Tcube est d’amener<br />

une solution permettant d’égaler les<br />

thermocouples en termes de performance<br />

de mesure et d’améliorer les<br />

contraintes citées. Pour cela, le système<br />

doit répondre aux spécifications<br />

suivantes :<br />

• Gamme de température de fonctionnement<br />

:<br />

• [-40°C ; 85°C]<br />

• Gamme de température de mesure<br />

:<br />

• [-40°C ; 85°C]<br />

• Précision de mesure :<br />

• +/-0.6°C à 20°C, +/-1.4°C aux extrémités<br />

de la gamme de mesure.<br />

• Fréquence d’acquisition :<br />

• Au moins 1 mesure par minute<br />

• Autonomie :<br />

Résumé<br />

Ce document présente le Tcube,<br />

un capteur miniature de<br />

température sans fil, destiné à<br />

être déployé en grand nombre<br />

pour le suivi d’essais thermique<br />

en temps réel. Cette technologie,<br />

développée par la société<br />

Intesens, est initialement dédiée<br />

au suivi de test vide thermique<br />

pour les satellites.<br />

Abstract<br />

This document presents the<br />

Tcube, which is a wireless temperature<br />

sensors developed<br />

as part of the iWise project<br />

by Intesens company. Tcube<br />

is meant to be deployed as a<br />

network within a spacecraft during<br />

on-ground thermal tests,<br />

providing a real time stream of<br />

several hundreds of temperature<br />

measures to the user.<br />

Mots clés<br />

sans fil ; capteur ; protocole<br />

synchrone ; miniaturisation ;<br />

suivi d’essais ; vide thermique ;<br />

satellite.<br />

• 2 ans en stockage (à 20°C)<br />

• 7 mois en veille (à 20°C)<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 55


Dossier<br />

• 3 mois actif<br />

• Communication :<br />

• Fréquence radio : 2.4GHz<br />

du réseau. Le master est en charge du<br />

maintien de cette base de temps et les<br />

TCubes sont verrouillés dessus grâce<br />

à des resynchronisations périodiques.<br />

• Puissance d’émission :


Dossier<br />

capté, chaque TCube connait, de façon<br />

très précise, le début de la phase<br />

de mesure, et détermine l’instant précis<br />

de son timeslot.<br />

État de mesure<br />

Après le T0, les TCubes transmettent<br />

leur mesure dans leur timeslot. Il<br />

n’écoute une réponse du master périodiquement,<br />

afin d’économiser de<br />

l’énergie. Le master mesure la dérive<br />

temporelle de tous les éléments communiquant<br />

avec lui. En effet, le risque<br />

majeur est que des éléments décalent<br />

leur timeslot et émettent dans le<br />

timeslot des autres, pouvant provoquer<br />

des collisions de messages et donc<br />

une non-transmission de la donnée<br />

de mesure. Pour éviter cela, le master<br />

renvoie périodiquement le décalage<br />

qu’il y a entre le moment de réception<br />

de la mesure et le moment exact<br />

du centre du timeslot. Les TCubes se<br />

recalent alors automatiquement et le<br />

réseau reste synchronisé sur la même<br />

base de temps.<br />

Dans le but d’avoir un temps de garde<br />

suffisant entre les messages, les<br />

timeslots ne devraient pas être inférieurs<br />

à 100ms. Cela veut dire par<br />

exemple, qu’une période de mesure de<br />

1 minute par élément est possible pour<br />

un réseau composé d’un maximum de<br />

600 capteurs.<br />

Note : Deux réseaux, configurés sur<br />

deux fréquences radio différentes<br />

peuvent facilement cohabiter et donc<br />

doubler le nombre de points de mesure.<br />

Mécanismes de robustesse<br />

> Synchronisation sur la plage de température<br />

Les TCubes subissent les mêmes cycles<br />

thermiques que le satellite. La<br />

température à des effets sur la source<br />

de fréquence servant à garder la base<br />

temps, pouvant aboutir à un décalage<br />

de 12ms en une minute. Cette dérive<br />

potentielle peut poser des problèmes<br />

pour la synchronisation, surtout si plusieurs<br />

parties du réseau ne sont pas<br />

à la même température. Ce décalage<br />

est prédictif ce qui nous permet en<br />

mesurant la température à côté de la<br />

source de fréquence, de le compenser<br />

de façon logicielle. Ceci fut testé en<br />

cyclant un Tcube entre -40°C et 85°C<br />

et comme le montre la Figure 4, un décalage<br />

maximum de +/-2ms a été observé,<br />

ce qui est acceptable face à un<br />

timeslot minimum de 100ms.<br />

Figure 4 : Dérive de temps en température<br />

sur une minute.<br />

> Redondance<br />

Dans une trame de mesure envoyée<br />

au master, le TCube répète les dernières<br />

mesures qu’il a effectuées. Si<br />

une des trames est perdue, le système<br />

peut la retrouver en la récupérant dans<br />

la redondance de la trame suivante.<br />

> Adaptabilité du master<br />

Si le master se déconnecte ou devient<br />

défaillant, le réseau doit pouvoir continuer<br />

à fonctionner jusqu’à ce que le<br />

problème soit réglé. Lorsque le master<br />

est reconnecté ou réparé, le système<br />

et la base de temps reprennent leur<br />

fonctionnement normal. Ceci se fait<br />

grâce aux données contenues dans<br />

chaque trame de TCube. Ces dernières<br />

contiennent les informations essentielles<br />

du réseau étant : le nombre<br />

de TCubes, la période de mesure et<br />

son timeslot. Si un master reçoit cela,<br />

il va se baser sur ces informations<br />

pour recréer une base de temps, et<br />

reprendre son fonctionnement normal.<br />

Le temps pendant lequel le master a<br />

été déconnecté peut avoir amené certains<br />

TCubes à se désynchroniser.<br />

Une période de stabilisation du réseau<br />

peut avoir lieu, mais des tests ont montré<br />

qu’elle n’excède jamais quelques<br />

minutes.<br />

Bilan liaison radio<br />

Une topologie de réseau en étoile implique<br />

que tous les TCubes sont à portée<br />

radio du master. Les plus grosses<br />

structures de satellite peuvent mesurer<br />

jusqu’à 2.5m de côté pour une hauteur<br />

totale de 5m. Le volume est divisé en<br />

plusieurs cavités, accueillant un grand<br />

nombre d’équipements. L’environnement<br />

radio est, de fait, très aléatoire.<br />

D’après des études sur la propagation<br />

de signal radio en 2.4Ghz, le fait que<br />

les TCubes soient dans une structure<br />

métallique fermée serait à leur<br />

avantage car l’énergie émise lors de<br />

la transmission, resterait dans cette<br />

Figure 5 : Intérieur de la structure<br />

satellite<br />

Figure 6: Structure satellite<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 57


Dossier<br />

structure jusqu’à atteindre le master.<br />

Dans le but de valider cela, nous avons<br />

effectué des tests sur une maquette de<br />

satellite E3000 d’Astrium Defence and<br />

Space.<br />

Ce modèle est l’un des plus grands,<br />

mesurant 2.5m de côté pour une hauteur<br />

de 3.2m. L’intérieur est divisé en<br />

8 cavités avec un tube de fibre de carbone<br />

central. La structure est composée<br />

majoritairement de cloisons d’aluminium<br />

alvéolées.<br />

Le master est mis dans une cavité et<br />

nous déplaçons un Tcube dans toutes<br />

les cavités tout en mesurant le niveau<br />

de réception radio. Le résultat est le<br />

suivant :<br />

Note : RSSI = Received Signal Strength<br />

Indicator<br />

C1 est la cavité du master et C7 est<br />

la cavité la plus éloignée du master.<br />

Les fluctuations du niveau de réception<br />

illustre la propagation aléatoire<br />

du signal et les réflexions sur les parois<br />

(multipath). La sensibilité du système<br />

de réception étant de -85dBm,<br />

la marge de 22dBm que l’on observe<br />

dans le pire cas nous conforte quant à<br />

la qualité du bilan liaison radio.<br />

Power source<br />

Le Tcube est équipé d’une pile répondant<br />

au meilleur compromis fait parmi<br />

ces critères :<br />

• Technologie de batterie.<br />

• Capacité d’énergie.<br />

• Courant maximum en pulse.<br />

• Courant maximum en continu.<br />

• Plage de température de fonctionnement<br />

• Format de packaging<br />

• Taille<br />

En effet, l’autonomie qu’une pile peut<br />

fournir à un système n’est pas seulement<br />

l’extrapolation de sa capacité<br />

associée à un profil de consommation.<br />

Elle est directement dépendante de la<br />

plupart de ces facteurs, notamment relatifs<br />

aux ordres de grandeur des courants<br />

à délivrer et à la température de<br />

fonctionnement.<br />

Une fois sélectionnée sur des critères<br />

théoriques, la batterie a subi une série<br />

de tests qui nous assure de sa qualification<br />

pour l’application. En parallèle<br />

de cela, un travail sur l’optimisation de<br />

l’étage d’alimentation a été effectué,<br />

ceci afin de réduire l’intensité des pics<br />

de courant lors des émissions. Ces<br />

pics sont particulièrement critiques lors<br />

de températures négatives, créant une<br />

chute de tension due à la passivation<br />

de la batterie sur la ligne d’alimentation<br />

du système. On peut voir sur la figure<br />

7, que bien que cette chute soit significative,<br />

elle ne descend pas en dessous<br />

des 3V, ce qui est supérieure à la<br />

tension d’arrêt du Tcube.<br />

> Performance de mesure<br />

L’objectif à atteindre est d’égaler ou<br />

dépasser la précision qu’offrent les<br />

Figure 7: Tension de pile<br />

vs température<br />

thermocouples. Ceci pour des phénomènes<br />

statiques, mais aussi dynamiques.<br />

Le Tcube est entièrement résiné<br />

pour le rendre le plus petit possible<br />

et pour garantir sa tenue dans le vide.<br />

Une bonne conductivité thermique de<br />

la résine mène à de meilleures performances<br />

de mesures, notamment<br />

en dynamique. Un test présenté en<br />

figure 8 et 9 nous a permis de le vérifier.<br />

Nous avons installé des TCubes<br />

Figure 8: Enceinte de vide thermique<br />

de test<br />

Figure 9: Enceinte de vide thermique de<br />

test avec écran thermique<br />

Figure 10 : Profile de test<br />

Figure 11 : Détail de la réponse en<br />

dynamique<br />

Figure 12 : Performance de mesure<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 58


Dossier<br />

dans une enceinte sous vide équipée<br />

de thermocouples de référence.<br />

L’écran thermique nous a permis de<br />

simuler un équipement positionné à<br />

côté du Tcube et chauffant de façon<br />

significative. L’objectif était de vérifier<br />

l’impact de cette perturbation sur la<br />

mesure du Tcube. Cet écran est fixé à<br />

une distance de 3cm du haut du Tcube.<br />

La figure 10 montre que même<br />

avec un gradient de température de<br />

38°C, la réponse du Tcube est cohérente<br />

et précise. Ceci aussi dans les<br />

phases dynamiques. Les propriétés<br />

thermiques du Tcube et son intégration<br />

mécanique le rendent immune à des<br />

variations thermiques proches, garantissant<br />

une mesure localisée.<br />

La figure 12 montre les résultats de<br />

mesure. En palier stable, le Tcube atteint<br />

une précision de +/-1°C dans les<br />

températures extrêmes et une mesure<br />

quasi parfaite autours de 20°C. Des<br />

pentes à variation forte (4°C/min) ont<br />

montré une imprécision acceptable de<br />

+/-2°C.<br />

Nous avons profité de ce test pour faire<br />

fonctionner le réseau de 4 TCubes<br />

comme si ils étaient 600, en imposant<br />

des timeslots de 100ms. La disponibilité<br />

de 100% des données en fin de<br />

test a apporté la confirmation que le<br />

protocole est adapté pour l’environnement<br />

et pour la densité d’éléments du<br />

réseau.<br />

Autres fonctionnalités<br />

> Miniaturisation<br />

Nous avons utilisé du PCB flex-rigide<br />

pour réduire la taille du Tcube. Cela<br />

nous a permis « d’enrouler » le PCB<br />

Figure 13 : TCube<br />

autour de l’élément le plus imposant,<br />

étant la pile. Le fait de résiner l’ensemble<br />

permet aussi de s’affranchir<br />

de la surépaisseur d’un packaging. Le<br />

produit résulte en un cube d’époxy mesurant<br />

17.8x24x13.2mm pour un poids<br />

de 10g.<br />

> Alimentation pilotée par aimant<br />

La résine étant tout autour de l’électronique,<br />

il n’y a plus de moyen d’accès<br />

à l’alimentation. Afin d’allumer et<br />

éteindre électriquement le système,<br />

un mécanisme sensible au champ magnétique<br />

a été intégré. Ainsi, le contact<br />

du Tcube avec un aimant le maintient<br />

électriquement éteint et celui-ci est immédiatement<br />

en fonctionnement lorsqu’on<br />

retire l’aimant.<br />

> Compatibilité avec l’environnement<br />

La résine utilisée répond à des normes<br />

garantissant le faible dégazage et donc<br />

la compatibilité avec le vide. Des tests<br />

Eletro Magnetic Compatibility (EMC)<br />

ont été passés pour s’assurer de ne<br />

pas être perturbateurs pour d’autres<br />

équipements sur le satellite.<br />

Version prochaine<br />

Une nouvelle version du Tcube est prévue<br />

pour la fin de l’année 2014. Celleci<br />

accueillera 4 thermocouples déportés<br />

et bénéficiera d’une plus grande<br />

autonomie. Le protocole de communication<br />

reste le même, mise à part qu’il<br />

transporte maintenant 4 points de mesure<br />

au lieu d’un seul. Un réseau de<br />

TCubes pourra donc fournir non plus<br />

600, mais jusqu’à 2400 points de mesure<br />

par canal radio. Cette version est<br />

en cours de conception et développement,<br />

les premiers prototypes seront<br />

disponibles en octobre 2014.<br />

Conclusion<br />

Figure 14 : Le prochain TCube<br />

Les satellites, comme d’autres équipements<br />

industriels, sont déployés dans<br />

des environnements sévères, impliquant<br />

de forts cycles thermiques. La<br />

capacité à mesurer ces données pendant<br />

les tests de qualification, avant la<br />

mise en service, est la clé pour garantir<br />

la qualité du produit. Intesens a développé<br />

des capteurs sans fil totalement<br />

autonomes, capable de mesurer la<br />

température en tout point d’un satellite<br />

et de la transmettre sur un canal fiable,<br />

fournissant une information en temps<br />

réel à l’utilisateur. Le Tcube dispose<br />

d’une large plage de mesure et peut<br />

être déployé de façon massive dans<br />

des réseaux à forte densité. Sa taille<br />

et son principe de fonctionnement le<br />

rendent facile à utiliser sur n’importe<br />

quel terrain.<br />

Sébastien Risler, responsable du pôle<br />

systèmes embarqués chez Intesens<br />

(Sebastien.risler@intesens.com) et<br />

Dr. Xavier Lafontan, fondateur et président,<br />

Intesens (Xavier.lafontan@intesens.com)<br />

>> www.intesens.com<br />

Référence bibliographique :<br />

Picture of the thermal vacuum chamber<br />

of Intespace Toulouse. From Intespace<br />

Web site: http://www.intespace.<br />

fr/l-entreprise/nos-implantations/visite-virtuelle.html<br />

Remerciements<br />

INTESENS remercie les équipes d’Airbus<br />

Defence and Space pour leur support<br />

pendant les essais sur maquette<br />

et du CNES pour les essais de vide<br />

thermique.<br />

Ce projet a été initié dans le cadre d’un<br />

projet régional IRIS2010 co-financé<br />

par la DIRECCTE Midi Pyrénées. Depuis,<br />

les développements sont poursuivis<br />

avec le programme NEOSAT<br />

réalisé avec AIRBUS DS, THALES AS<br />

et le CNES.<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 59


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DOSSIER<br />

Dégradabilité des<br />

matériaux<br />

Page 16<br />

DOSSIER<br />

Compatibilité<br />

électromagnétique<br />

La CEM aujourd’hui ...<br />

Page 15<br />

DOSSIER<br />

Les essais aggravés :<br />

où en sommes-nous ?<br />

Page 46<br />

ESSAIS ET MODÉLISATION<br />

Les logiciels de simulation<br />

Page 10<br />

N° 107 JUILLET, AOÛT, SEPTEMBRE 2011 TRIMESTRIEL 20 €<br />

ESSAIS ET MODÉLISATION<br />

Les nouveaux usages<br />

des capteurs dans les essais.<br />

Page 11<br />

MÉTHODES DE MESURES<br />

Numéro spécial MesurexpoVision<br />

Page 48<br />

N° 108 OCTOBRE, NOVEMBRE, DÉCEMBRE 2011 TRIMESTRIEL 20 €<br />

PRODUITS & TECHNOLOGIES<br />

MÉTHODES DE MESURES<br />

Mesurer la qualité, l’humidité et la<br />

température de l’air.<br />

Page 30<br />

Les nouveaux outils<br />

de mesure<br />

Page 14<br />

ÉTALONNAGE<br />

Système d’instrumentation<br />

analytique<br />

Page 20<br />

N° 109 JANVIER, FEVRIER, MARS 2012 TRIMESTRIEL 20 €<br />

MÉTHODES DE MESURES<br />

Quelles mesures dans<br />

l’analyse industrielle ?<br />

Page 30<br />

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Vie de l’ASTE<br />

Compte-rendu<br />

Journée ASTE- LAAS/CNRS « Capteurs<br />

innovants pour les essais d’environnement »<br />

> Assemblée générale de l’ASTE<br />

Lors de la dernière AG annuelle de<br />

l’ASTE qui s’est tenue le 12 juin 2014<br />

à Vélizy-Villacoublay, le conseil d’administration<br />

a été renouvelé dans<br />

son intégralité. Lors de cette dernière<br />

Assemblée, deux nouveaux administrateurs<br />

ont été élus : Jean-Philippe<br />

Godin de Polymesure et Stephan Lassausse<br />

d’Emitech.<br />

Le bureau sortant a présenté, lors de<br />

cette AGO, le rapport moral et le rapport<br />

financier annuel de l’association :<br />

Les adhésions ont augmenté de 50 %<br />

en deux ans et les formations ont retrouvé<br />

un rythme plus accéléré. Enfin,<br />

trois nouveaux stages ont pris place<br />

dans notre catalogue.<br />

Cette AG était suivie d’un conseil d’administration<br />

au cours duquel le Règlement<br />

intérieur a été présenté et accepté.<br />

> Prochain conseil d’administration<br />

: 11 septembre 2014<br />

> GAM PME<br />

Dans le cadre de ce projet (outil d'aide<br />

à la décision en matière de câblage<br />

des appareils de mesure en environnement<br />

industriel) qui a reçu l’appui du<br />

ministère de l’Industrie / DGCIS, plusieurs<br />

réunions de présentation sont<br />

en bonne voie :<br />

• Cap’Tronic à Bordeaux le 14 octobre<br />

2014<br />

• LNE (Laboratoire national de métrologie<br />

et d’essais) à Trappes : reculée à<br />

fin octobre 2014<br />

• Cap’Tronic à Limoges (avec l’appui<br />

de Pascal Abriat de l’IUT) : date à préciser<br />

Cet outil, sous forme d'un guide interactif,<br />

est remis gratuitement à la<br />

disposition des PME pour les aider à<br />

effectuer des mesures de qualité sans<br />

investissement complémentaire en<br />

matériel. L’ASTE en est actuellement à<br />

la phase de finalisation des résultats et<br />

dissémination.<br />

Le programme de la réunion reste le<br />

même avec une visite de la Société ou<br />

des Laboratoires qui nous accueillent :<br />

• Accueil des participants<br />

• Présentation de l’ASTE par Joseph<br />

Merlet<br />

• Présentation du projet GAM PME par<br />

Jean-Paul Prulhière<br />

• Présentation du Guide de bonnes<br />

pratiques pour une bonne CEP des<br />

systèmes de mesure<br />

• Présentation du logiciel GAM PME<br />

par Jean-Paul Prulhière<br />

• Questions-Réponses<br />

> Astelab 2014 – Partenariat ASTE-<br />

Insa-CVL de Blois<br />

Suite à l’accord négocié entre ASTE-<br />

INSA-CVL et officiellement signé le 10<br />

septembre dernier pour l’organisation<br />

d’une manifestation commune : Colloque<br />

« Analyse vibratoire expérimentale<br />

» et Colloque Astelab, ainsi qu’un<br />

salon pour les professionnels rassemblant<br />

les principaux acteurs dans le domaine<br />

des « Vibrations, des Chocs, de<br />

l’Analyse modale et des <strong>Simulations</strong><br />

associées » qui aura lieu du 18 au 20<br />

novembre 2014, les invitations ont été<br />

lancées.<br />

Déjà quelques réservations de stands<br />

ont été faites. Renseignements sur<br />

notre site Internet www.aste.asso.fr.<br />

Un appel à communication a été lancé<br />

pour Astelab: le lecteur est vivement<br />

encouragé à nous fournir des propositions<br />

: plusieurs sessions seront ouvertes.<br />

• Salon Enova - Participation de l’ASTE<br />

– Porte de Versailles Paris du 16 au 18<br />

septembre 2014<br />

L’ASTE a décidé d’être présente sur<br />

ce salon et profitera de cette présence<br />

pour proposer une conférence sur<br />

GAM PME.<br />

> Journées techniques<br />

Deux journées techniques sont d’ores<br />

et déjà en prévision :<br />

• Journée « Nucléaire » chez Emitech<br />

le 21 octobre 2014<br />

• Journée intitulée « L’amélioration de<br />

la productivité des essais mécaniques<br />

par l’apport des outils informatiques »<br />

chez Intespace : 23 octobre 2014<br />

Pour vous inscrire ou obtenir des informations<br />

supplémentaires, contactez<br />

Véronique Lanéry au 01 61 38 96 32<br />

ou info@aste.asso.fr<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 61


Agenda<br />

Evénements, colloques, séminaires à venir...<br />

Septembre<br />

> Enova Paris 2014<br />

Après son édition en province, en février<br />

dernier à Lyon, Enova Paris revient<br />

du 16 au 18 septembre à Paris<br />

expo Porte de Versailles. Au total, Enova<br />

Paris rassemblera pas moins de<br />

500 exposants et 6 000 visiteurs, auxquels<br />

s’ajoutent une cinquantaine de<br />

partenaires institutionnels, plus d’une<br />

centaine de conférences scientifiques<br />

et techniques, un congrès sur les fibres<br />

optiques, la tenue conjointe de la quatrième<br />

édition du Forum Radiocoms<br />

et plus de quatre-vingts nouveautés à<br />

découvrir tout au long des trois jours<br />

d’événement.<br />

À Paris Porte de Versailles<br />

Du 16 au 18 septembre 2014<br />

www.enova-event.com<br />

> Sepem Toulouse<br />

Deux ans après le succès de sa première<br />

édition toulousaine, le salon<br />

Sepem Industries revient du 23 au 25<br />

septembre dans le sud-ouest avec une<br />

surface d’exposition agrandie (laquelle<br />

passe de 7 000 mètres carrés en 2012<br />

à 10 000 cette année) et 452 exposants.<br />

Le Sepem Industries entend assurer<br />

un objectif : répondre à toutes les<br />

attentes techniques de ses visiteurs et<br />

ce en un temps optimisé.<br />

À Toulouse (Parc des expositions)<br />

Du 23 au 25 septembre 2014<br />

www.sepem-industries.com<br />

Novembre<br />

> Midest<br />

Le n°1 mondial des salons de sous-traitance<br />

industrielle rassemblera les fabricants,<br />

équipementiers et assembleurs<br />

ainsi que les fournisseurs de solutions<br />

en transformation des métaux, plasturgie,<br />

électronique, microtechniques<br />

et services à l’industrie. L’événement<br />

voit l’arrivée d’un nouveau président<br />

en la personne de Patrick Munini, et<br />

d’un nouveau directeur, Jean-François<br />

Sol-Dourdin. Il met également à l’honneur,<br />

pour la première fois, un pays<br />

d’Afrique du Nord, la Tunisie, et réalisera<br />

un focus sur le secteur de l’aéronautique.<br />

À Paris Nord Villepinte<br />

Du 4 au 7 novembre 2014<br />

www.midest.com<br />

> Maintenance Expo<br />

Maintenance Expo se tient dans le<br />

cadre du Midest dont l'offre complémentaire<br />

permet de mobiliser un grand<br />

nombre de donneurs d'ordres en leur<br />

proposant un panel complet de produits,<br />

services et savoir-faire dans le<br />

domaine de la maintenance. Maintenance<br />

Expo est un rendez-vous annuel<br />

permettant aux professionnels en<br />

charge de patrimoines industriels de<br />

trouver les solutions les mieux adaptées<br />

pour pérenniser leurs outils de<br />

production, dans un environnement<br />

économique, technologique et concurrentiel<br />

en constante mutation.<br />

À Paris Nord Villepinte<br />

Du 4 au 7 novembre 2014<br />

www.maintenance-expo.com<br />

> Astelab - AVE<br />

Suite à l’accord négocié entre ASTE-<br />

INSA-CVL et officiellement signé le 10<br />

septembre dernier pour l’organisation<br />

d’une manifestation commune, les invitations<br />

ont été lancées. Cet événement<br />

rassemble deux colloques – « Analyse<br />

vibratoire expérimentale » (AVE) et<br />

Colloque Astelab – ainsi qu’un salon<br />

pour les professionnels rassemblant<br />

les principaux acteurs dans le domaine<br />

des « Vibrations, des Chocs, de l’Analyse<br />

modale et des <strong>Simulations</strong> associées<br />

» ; il se déroulera du 18 au 20<br />

novembre 2014.<br />

À Blois (dans les locaux de l’INSA CVL)<br />

Du 18 au 20 novembre 2014<br />

www.aste.asso.fr<br />

Décembre<br />

> Pollutec Lyon<br />

Salon généraliste leader de l’environnement<br />

et de l’énergie, Pollutec<br />

rassemblera début décembre sur 100<br />

000 m² d’exposition quelque 65 000<br />

visiteurs professionnels venus du<br />

monde entier pour découvrir des solutions<br />

innovantes permettant de réduire<br />

l’impact des activités humaines<br />

sur l’environnement qu’il s’agisse de<br />

l’industrie, des collectivités ou du tertiaire.<br />

Il accueillera pas moins de 2<br />

300 exposants et abritera près de 400<br />

conférences.<br />

À Lyon<br />

Du 2 au 4 décembre<br />

www.pollutec.com<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 62


Formations<br />

ASTE<br />

Programme des formations 2014<br />

Association régie par la loi de 1901<br />

N° de formation 11 78 8221 478<br />

Thèmes Cycles Code Lieu<br />

Mécanique vibratoire<br />

Mesure et analyses des phénomènes vibratoires (Niveau 1)<br />

Application au domaine industriel<br />

Chocs mécaniques : mesures, spécifications, essais et<br />

analyses de risques<br />

Traitement du signal avancé des signaux vibratoires<br />

MV1<br />

MV3<br />

MV4<br />

TS2<br />

Durée en<br />

jour<br />

Prix HT<br />

Dates<br />

IUT du Limousin 3,5 1 620 € 2-5 sept<br />

SOPEMEA-78 3 1 500 € 14-16 oct<br />

ASTE (78) 3 1 500 € 4-6 nov<br />

ASTE 3 1 500 € 16-18 sept<br />

Pilotage des générateurs<br />

de vibrations<br />

Principes utilisés et applications PV SOPEMEA 4 1 800 € 9-12 déc<br />

Analyse modale<br />

Association pour le développement <br />

des Sciences et Techniques de l’Environnement <br />

PROGRAMME DES FORMATIONS -­‐ 2 ème SEMESTRE 2014 <br />

Analyse modale expérimentale et Initiation<br />

aux calculs de structure et essais<br />

AM INTESPACE 4 1 800 € 27-30 oct<br />

Acoustique<br />

Principes de base, mesures et application<br />

aux essais industriels<br />

AC<br />

INTESPACE 4 1 800 € 25-28 nov<br />

Climatique<br />

Electromagnétisme<br />

Principes de base et mesure des phénomènes thermiques<br />

Application au domaine industriel<br />

Application à la prise en compte de la CEM<br />

dans le domaine industriel<br />

CL1<br />

IUT du Limousin 3 1 500 € 18-20 nov<br />

CL2 INTESPACE 4 1 800 € Nous consulter<br />

EL2 INTESPACE 3 1 500 € 8-10 oct<br />

Prise en compte de l'environnement<br />

dans un programme industriel<br />

P1<br />

2 1 100 € 11-12 sept<br />

Personnalisation du produit<br />

à son environnement<br />

Prise en compte de l’environnement mécanique<br />

Utilisation des outils de synthèse mécanique<br />

pour la conception et le pré dimensionnement<br />

des équipements<br />

P2<br />

3 1 500 € 21-23 oct<br />

ASTE (78)<br />

P3 3 1 500 € 12-14 nov<br />

Prise en compte de l’environnement climatique P4 3 1 500 € 23-25 sept<br />

Mesure<br />

Extensométrie : collage de jauge, analyse<br />

des résultats et de leur qualité<br />

M1 ASTE (78) 3 1 700€ 18-20 nov<br />

Concevoir, réaliser, exploiter une campagne<br />

de mesures M2 ASTE (78) 2 1 100 € 4-5 déc<br />

Fiabilité, déverminage, essais (accélérés, aggravés) E2 ASTE (78) 2 1 100 € 10-11 sept<br />

<strong>Essais</strong><br />

Simulation<br />

Accroissement de la fiabilité<br />

par les méthodes HALT & HASS<br />

E3<br />

EMITECH (78) 1 850€ 10 sept<br />

Caractérisation métrologique des systèmes<br />

de mesure et essais - NOUVEAU E4 ASTE (78) 2 1 100 €<br />

Accréditation des laboratoires d’essais<br />

E5<br />

16-17 oct<br />

ISTIA ANGERS (49) 2 1 100 € 9-10 sept<br />

La simulation numérique et les essais : complémentarités -<br />

comparaisons S1 ASTE (78) 2 1 100 €<br />

13-14 oct<br />

Analyses Physico-<br />

Chimiques et Matériaux<br />

Techniques de Caractérisation de composés Organiques<br />

NOUVEAU<br />

AP2<br />

IUT du Limousin<br />

2<br />

1 100 €<br />

30 sept-1 oct<br />

Contrôles non Destructifs NOUVEAU<br />

AP3<br />

IUT du Limousin<br />

2<br />

1 100 €<br />

4-5 nov<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 63


Au sommaire<br />

du prochain numéro<br />

Dossier<br />

Les moyens d’essais de la DGA :<br />

immersion au cœur d’un lieu classé secret-défense<br />

Mesures et méthodes de mesure<br />

Contrôle en production :<br />

Automates et automatismes pour assurer le contrôle<br />

sur les chaînes de production<br />

Mesures mécanique :<br />

Les outils de mesure pour la mécanique des fluides<br />

<strong>Essais</strong> et modélisation<br />

<strong>Essais</strong> en production :<br />

Les outils de CAO pour optimiser la production en temps réel<br />

Industrie 4.0 :<br />

La place de la simulation dans l’usine du futur<br />

Sans oublier<br />

Des avis d'experts ainsi que toutes les informations concernant la vie de<br />

l'ASTE et du Gamac, les événements, les formations et les actualités du marché<br />

de la mesure, des essais, de la modélisation et de la simulation.<br />

Répertoire des annonceurs<br />

ASTE ...................................39<br />

FELIX INFORMATIQUE .....21<br />

CONCEPTION ÉDITORIALE & RÉALISATION<br />

MRJ<br />

54, Boulevard Rodin - 92130 Issy les Moulineaux<br />

Tél. : 01 73 79 35 67<br />

Fax. : 01 34 29 61 02<br />

www.mrj-presse.fr<br />

(la rédaction n’est pas responssable des documents qui lui sont<br />

adressés, sauf demande express, ceux-ci ne sont pas retournés)<br />

DIRECTEUR DE LA PUBLICATION<br />

Jérémie Roboh<br />

RÉDACTION<br />

Olivier Guillon<br />

(o.guillon@mrj-corp.fr)<br />

Comité de rédaction :<br />

Raymond Buisson, Adbérafi Charki (Istia), Bernard Colomiès (Sopemea<br />

- ASTE), François Derkx (IFSTTAR), Jean-Claude Frölich (ASTE); Olivier<br />

Guillon (MRJ), Henri Grzeskowiak (HG Consultant), Michel Roger<br />

Moreau (Gamac - ASTE), Joseph Merlet (ASTE), Lambert Pierrat (LJ<br />

Consulting), Jean Paul Prulhière (Metexo), Philippe Sissoko (LCIE),<br />

Pierre Touboul (Onera)<br />

Ont participé à ce numéro :<br />

Sylvain Bereski (Texys), A. Bettacchioli (Thales Alenia Space),<br />

Elian Coment (NeoTIM), Pierre Dehombreux (Umons), Étienne<br />

Deméocq (Texys), A. Dufresne (CNRS, LPG2), David Garnier<br />

(TEXYS), Xavier Lafontan (Intesens), Y. Lefaux (PHELMA),<br />

Christophe Letot (UMONS), Philippe Leuwers (Texys), J.-M.<br />

Missiaen (CNRS, Simap), Lambert Pierrat (LJ-Consulting & LJK-<br />

LAB), Sébastien Risler (Intesens), Roger Serra (CVL -Laboratoire<br />

de Mécanique et Rhéologie), Anis Ziadi (DSI).<br />

ÉDITION<br />

Maquette et couverture :<br />

RVJ-WEB (www.rvj-web.com)<br />

PUBLICITÉ<br />

MRJ - Tél. 01 73 79 35 67<br />

Patrick Barlier - p.barlier@mrj-corp.fr<br />

Sonia Cheniti - s.cheniti@mrj-corp.fr<br />

DIFFUSION ET ABONNEMENTS<br />

Camille Laurès (abonnement@essais-siimulations.com)<br />

www.essais-simulations.com<br />

Abonnement 1 an (4 numéros) : 58 €<br />

Prix au numéro : 20 €<br />

Règlement par chèque bancaire à l’ordre de<br />

MRJ<br />

(DOM-TOM et étranger : nous consulter)<br />

COMSOL ...............2e de couv.<br />

DB VIB ..................................2<br />

DJB INSTRUMENTS .........23<br />

ELTEC .................................13<br />

ESI GROUP ..........4e de couv.<br />

EVEN PRO .........................17<br />

GL EVENTS .......................41<br />

IMPLEX ..................................7<br />

M+P INTERNATIONAL ......15<br />

OMEGA ENGINEERING .....5<br />

SIEPEL .................3e de couv.<br />

Trimestriel - N° 118<br />

Septembre 2014<br />

Editeur : MRJ<br />

SARL au capital de 50 000 euros<br />

54, Boulevard Rodin - 92130 Issy les Moulineaux<br />

RCS Paris B 491 495 743<br />

TVA intracommunautaire : FR 38491495743<br />

N° ISSN : 2103-8260<br />

Dépôt légal : à parution<br />

Imprimeur : Léonce Deprez<br />

Zone Industrielle de Ruitz - 62620 RUITZ<br />

Toute reproduction partielle ou globale est soumise à<br />

l’autorisation écrite préalable de MRJ.<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 64


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Applications<br />

Aéronautique<br />

Automobile<br />

Champ proche<br />

Industrie<br />

Mesure d’antennes<br />

Radio/Télécom<br />

Spatial<br />

www.siepel.com<br />

Marot & Cie, Vannes - Photos non contractuelles<br />

Parc d’Activités de Kermarquer - 56470 La Trinité-sur-Mer - FRANCE<br />

Tél. +33 (0)2 97 55 74 95 - Fax +33 (0)2 97 55 84 55 - E-mail : contact@siepel.com<br />

<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 65


<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> • SEPTEMBRE 2014 • PAGE 66

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