La nouvelle norme profilométrique ISO 21920
La norme ISO 21920 va changer la façon dont les métrologues, les ingénieurs et les techniciens contrôlent leur pièces et effectuent leurs mesures. Cette page vous tient au courant des changements en cours.
1. Etat des lieux des normes profilométriques
La métrologie des surfaces est largement dominée par la mesure profilométrique et par les spécifications de paramètres calculés sur des profils. De nombreuses normes de spécification, de mesure ou d'analyse ont été développées au fil des années pour guider les utilisateurs :
La norme ISO 1302 précise comment spécifier les états de surface sur les dessins techniques
La norme ISO 4287 définit les paramètres principaux d'état de surface profilométriques (Ra, Wa, etc.)
La norme ISO 4288 explique comment utiliser ces paramètres et sélectionner le cut-off de filtrage
La norme ISO 16610-21 définit le filtre gaussien pour les profils
La norme ISO 3274 décrit les prérequis pour les profilomètres à contact
La norme ISO 12179 explique comment étalonner un profilomètre contact
La norme ISO 5436 décrit les spécimens d'étalonnage
La norme ISO 12085 décrit la méthode des motifs R&W
La norme ISO 13565 décrit un filtrage robuste aux vallées et des paramètres fonctionnels utilisés dans l'automobile (Rk)
La plupart de ces normes ont été publiées ou révisées à la fin des années 1990 et ont été confirmées en l'état depuis. Cependant, la publication de l'ISO 25178 en 2012 a établi une nouvelle base universelle pour les états de surface, en commençant par les états de surface surfaciques. Il est maintenant logique de décliner ces mêmes concepts pour la profilométrie et donc de réviser ou remplacer les normes existantes.
Le groupe de travail WG16 au TC213 a commencé à travailler sur le sujet en 2015 et a proposé une nouvelle norme en trois parties. Cette norme a passé l'étape de vote CD (committee draft) en 2019 et devrait être publiée mi-2021 si tout se passe bien.
2. Une nouvelle norme, en trois partie
Le projet de norme est décomposé en trois parties, se calquant sur les trois premiers maillons de la chaîne GPS décrite dans l'ISO 14638 :
1. Indication des états de surface profilométriques sur les dessins
2. Termes, définitions et paramètres d'état de surface
3. Opérateurs de spécification
Exemple de spécification de rugosité sur un dessin.
Notez le segment horizontal au-dessus du triangle à gauche du symbole racine, qui identifie une spécification profilométrique.
La nouvelle norme est identifiée par la référence ISO 21920.
La partie 1 est dédié aux indications sur les dessins, et remplace la norme ISO 1302 en la complétant avec de nouvelles formes de notation issues de l'ISO 1101 et de nouveaux exemples.
La partie 2 rassemble tous les paramètres des normes existantes sous un seul document, et les complète avec de nouveaux paramètres ou réintègre d'ancien paramètres abandonnés et adapte certains paramètres surfaciques de l'ISO 25178-2 aux profils. Voir plus bas pour les détails.
La partie 3 donne les valeurs et les unités par défaut, ce qui permet de les omettre dans les spécifications et donc de simplifier la notation. La norme fournit aussi des tableaux permettant de choisir les cut-offs pour le filtrage.
3. Abandon des longueurs de base
L'un des changements les plus importants est l'abandon de la notion de longueur de base, qui faisait qu'un paramètre était moyenné sur plusieurs portions du profil. Avec la nouvelle norme, les paramètres sont tous calculés sur la longueur d'évaluation. Il n'y aura qu'une valeur de Ra ou de Rq sur la longueur d'évaluation. Seuls les paramètres Rp, Rv et Rz sont toujours moyennés sur des longueurs de sections pour réduire leur dépendance aux points aberrants.
Méthode habituelle de moyennage (ISO 4288). Le profil ci-dessus est décomposé en cinq longeurs de base (L1 à L5) sur lesquelles le paramètre est calculé puis moyenné. Certains paramètres sont définis sur la longueur d'évaluation (Le) comme le Rmr ou le Rt. Ce processus de moyennage est abandonné dans la nouvelle norme.
Calculer les paramètres sur la longueur d'évaluation n'est pas nouveau. La norme américaine, ASME B46.1, avait déjà fait le pas il y a plusieurs années, ce qui introduisait parfois une confusion selon qu'un paramètre était calculé selon l'ISO ou l'ASME.
Le logiciel Mountains® permet de configurer la façon dont on gère les longueurs de base pour le calcul des paramètres de profil (voir dans les préférences F7, dans la section Métrologie > Filtrage.) La valeur par défaut est de cinq longueurs de base mais d'autres valeurs peuvent être changées. Un paramètre peut être calculé sur toutes les longueurs de base disponibles ou sur la longueur d'évaluation.
4. Remplacement de la règle des 16%
Autre changement important : la règle des 16% définie dans l'ISO 4288 n'était pas comprise par de nombreux utilisateurs et était même souvent ignorée. Elle ne sera plus la règle par défaut. Elle est remplacée, si le besoin s'en fait sentir, par la mesure de plusieurs profils et par l'applications de tolérances sur des paramètres statistiques. Dans le cas général, une tolérance s'appliquera à une seule valeur de paramètre calculée sur la longueur d'évaluation, et la règle du Max sera appliquée (ou du Min si la lettre L est indiquée sous la racine).
En savoir plus sur la règle des 16% et son influence sur la spécification
Pour le moment, il n'est pas prévu de traiter les techniques instrumentales dans l'ISO 21920 car elles sont déjà traitées dans les parties 600 à 607 de l'ISO 25178 pour les caractéristiques métrologiques, et dans la partie 700 pour l'étalonnage. De plus, l'ISO 5436-1 a été intégrée à l'ISO 25178-70 qui décrit les étalons pour les profilomètres surfaciques aussi bien que profilométriques.
Tant que la norme n'est pas officiellement publiée, il est toujours possible que les experts ISO modifient son contenu. Son contenu technique peut être modifié jusqu'au stade DIS. Il faudra donc attendre la phase FDIS pour voir définitivement quelles modifications seront à appliquer. Mais une chose est sûre, les pratiques métrologiques vont changer et se moderniser. Les métrologues auront certainement à revoir leurs procédures, les designers à adapter leurs spécifications et les fabricants d'instruments de mesure à mettre à jour leurs logiciels.
5. Quel impact pour Mountains® ?
Le logiciel Mountains® (dont MountainsMap® Profile) propose la norme ISO 21920 depuis la version 8.1. Les anciennes normes sont toujours disponibles, donc cela permet aux utilisateurs de choisir quelle référence ils souhaitent utiliser.
Les normes ISO 4287 ou ISO 13565 peuvent toujours être référencées dans les plans et la date du dessin désigne implicitement la norme en vigueur au moment de la création du dessin technique. Cela permet de savoir quelles spécifications par défaut utiliser.
6. Principales modifications apportées aux paramètres
Tous les paramètres sont désormais définis sur la longueur d'évaluation et ne sont plus moyennés (sauf paramètres liés aux pics et creux).
Paramètres de hauteur
Ces paramètres (Ra, Rq, Rsk, Rku, Rt) sont inchangés dans leur définition. Certains paramètres auparavant classés de hauteur (Rp, Rv) sont maintenant classés comme paramètres sur les pics (feature parameters).
Paramètres spatiaux
On trouve ici seulement deux paramètres : Ral, longueur d'autocorrélation, qui est l'adaptation du paramètre surfacique Sal aux profils ; et Rsw, longueur d'onde dominante. Le paramètre RSm, anciennement considéré comme paramètre spatial est désormais un paramètre de motifs sur les éléments.
Paramètres hybrides
Le paramètre Rdq, gradient moyen quadratique, est inchangé. Mais il lui est adjoint Rda, gradient moyen arithmétique (qui existait dans l'ISO 4287 de 1984 !) Pas sûr qu'il survive jusqu'à la publication. Le nouveau paramètre Rdt donne le maximum des gradients en valeur absolue. Les nouveaux paramètres Rdl et Rdr donnent respectivement la longueur développée du profil (en mm) et le rapport de longueur développée (en %).
Paramètres de taux de portance
Les paramètres Rmr et Rdc sont inchangés. Le paramètre Rmc est défini comme l'inverse de Rmr comme son homologue sur les surfaces Smc. Cependant, le draft actuel de la norme le nomme incorrectement Rc. De même un paramètre Rmrr est défini comme étant le Rmr mais avec une référence décalée. Nous pensons qu'il ne devrait y avoir que le Rmr et que la définition de la référence devrait être simplement possible sur un plan.
Paramètres fonctionnels Rk
Les paramètres Rk, Rpk et Rvk sont inchangés. Les nouveaux paramètres Rpkx et Rvkx officialisent ceux qui existaient dans la norme DIN 4776 sous le nom Rpk* et Rvk*. Les paramètres Rmr1 et Rmr2 sont renommés Rmrk1 et Rmrk2. Les paramètres Rpq, Rvq et Rmq issus de l'ISO 13565-3 sont inchangés.
Paramètres de volume
Ces paramètres de volume de matière et de volume de vide, issus de l'ISO 25178-2 sont désormais disponibles pour les profils : Rvm, Rvmp, Rvmc, Rvv, Rvvc, Rvvv.
Paramètres fractals
Ces nouveaux paramètres et fonctions sont adaptés des méthodes définies sur les surfaces : Pvs, volume-scale ; Puvs, volume-scale supérieur ; Pls, length-scale, Psrc, seuil rugueux-lisse ; Pvsfc, complexité en volume-scale ; Plsfc, complexité en length-scale. Ces calculs sont pour la plupart intégrés au module Scale-Sensitive Fractal Analysis (SSFA) dans Mountains®.
Paramètres sur les pics
Ce sont les paramètres basés sur les pics et creux. Rp, Rv et Rz sont inchangés mais sont maintenant calculés sur des longueurs de section au lieu des longueurs de base. De nouveaux paramètres sont ajoutés : Rpt, hauteur maximale des pics ; Rvt, profondeur maximale des creux ; et Rzx, hauteur maximale (qui correspond à l'ancien Rmax).
Paramètres sur les éléments
Rsm et Rc sont inchangés sauf que l'algorithme de segmentation est désormais plus robuste (à noter l'écriture Rsm au lieu de RSm). Les écarts-types de ces paramètres sont ajoutés (Rsmq et Rcq) ainsi que la valeur maximale des largeurs d'éléments (Rsmx) et des hauteurs d'éléments (Rcx). Le paramètre de comptage de pics, Rpc est calculé à partir de Rsm, comme dans l'amendement 1 à l'ISO 4287.
Paramètres sur les motifs
La segmentation par les bassins versants est désormais adaptée aux profils, afin de moderniser l'ancienne segmentation R&W. Des paramètres, pour la plupart adaptés de l'ISO 25178-2 sont définis : Rpd, densité des pics ; Rmpc, courbures des pics ; R5p, hauteur moyenne des 5 plus grands pics ; R5v, profondeur moyenne des 5 creux les plus profonds; R10z, dite hauteur des 10 points. Puis une série de paramètres calculés sur les motifs de type collines (hills) : Rhhm, Rhhq, Rhhx (moyenne, écart-type et max) sur leur hauteur ; Rhwm, Rhwq, Rhwx sur leur largeur ; Rhvm, Rhvq, Rhvx sur leur volume. Et symétriquement avec les vallées (dales) : Rddm, Rddq, Rddx, Rdwm, Rdwq, Rdwx, Rdvm, Rdvq, Rdvx.