La médecine des matériaux

Les matériaux aussi ont des problèmes de santé ! Pour diagnostiquer leur état, les chercheurs ont de plus en plus recours à des techniques similaires à celles du diagnostic médical des humains. Radiographies, prises de température, et même échographie par ultrasons sont autant d’outils qui permettent de détecter l’apparition d’anomalies au sein de pièces. Ces multiples techniques ont l’avantage d’être non-destructives. Utilisées ensemble, elles peuvent donner de nombreuses informations sur un système mécanique sans avoir besoin de le mettre hors service. Salim Chaki est un des pionniers français de ce domaine. Chercheur à IMT Lille Douai, il nous explique pourquoi les industriels scrutent d’un œil attentif les dernières avancées de la discipline.

Quel est le principe du contrôle non-destructif ?

Salim Chaki : C’est un ensemble de techniques capables de fournir des informations sur l’état de santé d’une pièce sans qu’elle en soit altérée. Avant que ces techniques ne voient le jour, l’approche classique destructive consistait à découper une pièce défaillante et à l’expertiser pour caractériser le défaut. Avec le contrôle non-destructif, la philosophie est la même qu’en médecine : nous utilisons la radiographie ou les ultrasons, par exemple, pour étudier l’intérieur d’une pièce, ou la thermographie infrarouge pour prendre sa température en surface afin de déceler des anomalies. Le développement du nucléaire dans l’après-guerre a imposé ce genre de technique car la radioactivité imposait de nouvelles contraintes en matière de manipulation des objets radioactifs.

Votre approche de recherche consiste à faire du contrôle non-destructif dit « multitechnique ». Quel est le plus ?

SC : Historiquement l’utilisation de la radio, des ultrasons, ou d’autres techniques était un choix effectué par l’ingénieur selon ses besoins. Pendant plusieurs décennies, les industriels n’ont pas vraiment pensé à utiliser simultanément plusieurs techniques, alors que la médecine avait déjà recours à une approche plus globale, avec l’examen clinique, une prise de sang, des radiographies ou d’autres examens complémentaires pour diagnostiquer la maladie d’un patient. Dès 2006, nous avons été pionniers en proposant l’association de plusieurs techniques pour faire du diagnostic de l’intégrité structurale de pièces composites en fonctionnement. Là, les industriels ont commencé à être vraiment intéressés, séduits par le fort potentiel de l’approche. Arriver à diagnostiquer un défaut sans altérer la pièce et en plus sans la mettre hors-service, c’est un avantage économique conséquent. Nous avons fait la démonstration de l’intérêt du contrôle non-destructif multitechnique avec des caméras infrarouges, des caméras optiques pour la mesure des champs de déformation et des capteurs acoustiques passifs apposés à la structure. Ceux-ci captent le bruit de la vibration émise par la pièce lorsqu’elle se fissure par exemple. L’association de plusieurs techniques non destructives permet ainsi de valider le diagnostic de l’état de santé d’une pièce, de le compléter et de le fiabiliser.

Lorsque Salim Chaki a commencé à travailler sur le contrôle non-destructif multitechnique en 2006, il était un des pionniers du domaine.

Coupler deux techniques ou plus est-il si difficile pour que les industriels ne l’aient pas fait plus tôt ?

SC : Oui, ce n’est pas forcément évident de mettre en place plusieurs techniques. Il y a des problématiques techniques de synchronisation en temps réel : les données issues d’un instrument doivent pouvoir être corrélées spatialement et temporellement avec celles émanant des autres, et pour cela il faut que tous soient parfaitement synchrones lors de la mesure. Il y a également un aspect « traitement de données » très important. Les caméras infrarouges, par exemple, enregistrent des données d’imagerie qui sont volumineuses. Il faut donc gérer leur stockage et leur traitement. Et enfin l’interprétation demande naturellement des compétences multiples puisque les données sont issues d’instruments qui ne font pas appel aux mêmes disciplines — optique, acoustique, thermique, … Cependant, nous travaillons actuellement sur des algorithmes de traitement des données pour faciliter leur exploitation et leur interprétation en milieu industriel.

Quels sont les cas concrets d’application du contrôle non-destructif multitechnique ?

SC : Une des applications les plus intéressantes concerne les équipements sous pression — les réservoirs de stockage de gaz typiquement. La règlementation impose de les contrôler périodiquement pour statuer sur leur état et la poursuite de leur utilisation. Le contrôle non destructif multitechnique permet non seulement de ne pas avoir à vider le réservoir et à le mettre hors service à chaque contrôle, mais pourrait aussi servir à faire du pronostic de durée de vie. C’est un de nos grands enjeux de recherche actuellement. Le multitechnique reste cependant assez récent, par conséquent les applications industrielles ne sont pas nombreuses. En revanche, nous pensons que l’avenir sera plus propice aux procédés multitechniques qui permettent, entre autres, cette fiabilisation du contrôle réclamée de manière récurrente par les exploitants d’équipements et d’installations industriels, ainsi que par les autorités administratives chargées de leur sécurité.

Quelles sont vos pistes de recherche maintenant que les industriels se saisissent de ces techniques ?

SC : Tout d’abord, il convient de poursuivre les efforts pour convaincre les industriels de l’intérêt du contrôle multitechnique, notamment en termes de fiabilisation du contrôle. Il n’existe pas, en effet, de technique universelle permettant un diagnostic complet de l’état de santé d’une pièce. Là encore le parallèle avec la médecine est intéressant : un seul examen pouvant tout détecter n’existe pas et reste utopique. Ensuite, comme je le disais, nous essayons d’aller plus loin que le diagnostic, en proposant même une estimation de la durée de vie résiduelle d’une pièce à partir de mesures non destructives réalisées en service. Très prochainement, nous allons étendre ce concept au contrôle de l’état de santé initial des pièces, pour prédire très rapidement, dès la phase de production, si une pièce est saine ou non et quelle serait sa durée de vie en service — c’est de la maintenance prédictive.

L’analyse des données de toutes les techniques couplées représente-t-elle un enjeu de recherche également ? 

SC : Oui bien sûr ! Depuis la création d’IMT Lille Douai en 2017, issue de la fusion de Télécom Lille et de Mines Douai, la synergie entre notre expertise historique en contrôle non-destructif des matériaux et celle de nos collègues informaticiens experts en traitement des données multi-variables a ouvert de nouvelles perspectives. L’apport, notamment, des algorithmes d’intelligence artificielle et du big data pour traiter de gros volumes de données est crucial pour faire de la maintenance prédictive en prévoyant les anomalies. Parvenir à rationaliser le pronostic grâce à ces outils numériques serait un gros avantage pour des applications industrielles.