Analyse d'états de surface sur Surfaces Freeform


La plupart des ingénieurs et concepteurs de pièces mécaniques connaissent les spécifications de rugosité à travers des paramètres profilométriques, principalement par Ra. De nombreux métrologues dans l'industrie vérifient l'état de surface à l'aide d'un profilomètre à contact qui mesure les hauteurs le long d'une ligne. C'est suffisant dans la plupart des cas tant que la texture de la surface est suffisamment simple et homogène.

Mais de plus en plus souvent, les surfaces modernes présentent des motifs, des structures ou une texture spécifique imprimée, ajoutée ou incrustée, dans le but de mieux contrôler l'aspect fonctionnel de la surface (son adhésion, sa lubrification, son hydrophobicité, ...) Les spécifications sur de telles surfaces sont plus fiables et plus représentatives lorsqu'elle sont basées sur des paramètres surfaciques. L'introduction des états de surface surfaciques dans les années 1990 a été un tournant majeur.

Cependant, la vraie complexité d'une surface réelle ne peut être complètement capturée à l'aide d'une surface standard, codée par une matrice de hauteurs. Lorsque la surface présente une forme complexe et une texture superposée, ou quand le procédé de fabrication crée des projections de particules ou des cavités, ou encore si vous souhaitez analyser la rugosité sur les flancs verticaux d'une rainure rectangulaire, alors une acquisition selon l'axe Z perdra nécessairement de l'information essentielle.

Quelle est la solution ? Les Surfaces Freeform sont le prochain tournant majeur de la métrologie...


Afin de garder l'information intact pendant l'acquisition et l'analyse, il est nécessaire de faire évoluer la structure de données d'une fonction z=f(x,y), où une hauteur z est codée en chaque point x,y sur une grille régulière, vers une surface curviligne (x,y,z)=f(u,v), où les points de l'espace sont connectés à leurs voisins sous la forme de triangles. Une Surface Freeform, appelée une Coque dans Mountains®, est un nuage de points (x,y,z) associé à des informations de connectivité pour former un maillage triangulaire dans l'espace. De la sorte, la surface complète autour d'un objet peut être codée. Cela permet également le codage de structures en surplomb ou de cavités internes (voir l'image ci-dessous).

Vue 3D dans Mountains® d'une coque (ou surface freeform) d'une surface produite à partir de poudre métallique fondue au laser, procédé de Laser Powder Bed Fusion (LPBF) utilisé en fabrication additive. Des particules de poudre partiellement fondue sont visibles sur la surface, ainsi qu'une cavité cheminant sous la surface. Le maillage et les points sont superposés à la surface colorée.


Les maillages triangulaires sont courants en métrologie dimensionnelle, pour représenter, par exemple, une pièce mécanique mesurée par une machine à mesurer tridimensionnelle (MMT). La différence ici est que la résolution doit être suffisamment fine pour permettre une analyse de l'état de surface à l'échelle micrométrique.

Mountains® 8 est compatible avec les Surfaces Freeform et la version 8.1 ajoute de nouvelles fonctionnalités qui forment le socle d'un écosystème autour des Surfaces Freeform (coques) qui sera progressivement enrichi et amélioré au fil des nouvelles versions.


Acquisition des Surfaces Freeform

Les Surfaces Freeform peuvent être produites par différentes techniques instrumentales :

  • Profilomètre Optique (microscope confocal, interféromètre, microscope numérique) : Les acquisitions multiples de surfaces standards sous différents angles sont ensuite assemblées en un maillage triangulaire.
  • Microscope électronique à balayage : Les images MEB traitées par paires reconstruisent la topographie par morceaux qui sont ensuite assemblés en maillage.
  • Tomographe à rayons X : La surface est extraite du cube de voxels sous la forme d'un maillage.
  • Scanner 3D ou micro-MMT : Les nuages de points d'une résolution suffisante, sont ensuite maillés sous certaines conditions de convexité.

L'étudiable Surface Freeform (coque)

Mountains® 8 peut charger des Surfaces Freeform depuis différents formats de fichiers (STL, 3MF, OBJ, PLY). Ils sont chargés en tant que coques qui sont affichées dans la vue 3D interactive et analysées par des Opérateurs et Etudes de Mountains®.

En plus des coordonnées et des informations de connexité, une coque peut également contenir des informations additionnelles, appelées attributs, créés soit à l'acquisition ou lors de l'extraction, ou bien sont générés par des Opérateurs spécifiques dans Mountains®. Ces attributs peuvent être des couleurs RVB ou des valeurs d'intensité, des vecteurs normaux, des valeurs de distance avec la surface de référence, ou tout attribut nécessaire à une application particulière qui a besoin d'être associé à l'étudiable. Un attribut peut être associé à un point, à un triangle ou même à une arrête.


Passerelle avec les données de tomographes X

Une passerelle entre le logiciel DigiXCT® de la société Digisens et Mountains® est en cours de mise au point et sera disponible dans une version ultérieure. Digisens est spécialiste de la gestion et de l'analyse des données produites par les tomographes à rayons X, pour l'inspection ou la métrologie. Ils se chargeront d'extraire la coque à partir des informations de densité contenues dans le cube de voxels, et l'enverront dans Mountains® pour une analyse d'états de surface. Le lien entre la coque et le cube de voxels sera conservé dans le temps.

Conversion en une surface / Extraction d'un profil de contour

Mountains® 8.0 inclut deux opérateurs spécialisés sur les coques :

Extraire une Surface Cet opérateur permet d'orienter la coque dans l'espace et de définir la portion à extraire sous la forme d'une surface standard. C'est utile, par exemple, pour analyser la rugosité d'une surface interne à une pièce mécanique telle qu'un corps de pompe fabriqué en impression 3D, impossible à analyser autrement sauf à la découper.

Extraire un profil paramétrique Cet opérateur réalise l'intersection de la coque par un plan orienté afin d'en extraire un profil qui peut ensuite être analysé à l'aide de l'étude Contour Avancé. C'est intéressant, par exemple, pour vérifier des angles et des dimensions, ou même comparer le profil à un modèle DXF.


Paramètres d'états de surface sur une surface coque

Digital Surf s'est associée avec le Center of Precision Technologies de l'Université de Huddersfield, en Angleterre, pour développer un ensemble de paramètres d'états de surface calculés directement sur une coque. L'équipe de chercheurs et de doctorants talentueux à Huddersfield a développé les bases mathématiques sous-jacentes et adapté les définitions des paramètres pour les coques.

Une expression similaire peut être donnée pour la plupart des paramètres sur les coques ou sur les surfaces standards :

Définition du Sa sur une surface standard

Définition du Sa sur une coque

Définition du Sq sur une surface standard

Définition du Sq sur une coque


où Σform représente la surface de forme qui agit comme surface de référence d'où sont comptées les déviations r(u,v) mesurées entre les points de la surface coque et la surface de référence associée.

Les détails mathématiques sont décrits dans la publication suivante :

Pagani L, Qi Q, Jiang XQ, Scott PJ, Towards a new definition of areal surface texture parameters on freeform surface, Measurement 2017.

Mountains® 8.1 propose un module plugin permettant de calculer un sous-ensemble de paramètres de l'ISO 25178-2 directement sur la surface coque sans avoir besoin de la convertir en surface standard.

Association de la forme

Les paramètres sont calculés à partir des valeurs d'écart de forme en chaque point de la coque. Cela suppose qu'une forme a été associée à la coque. C'est ce que fait un opérateur plugin dédié qui associe une forme par les moindres carrés au nuage de points de la coque. La forme peut être un plan, un polynôme, un cylindre ou une sphère. C'est une étape préliminaire au calcul des paramètres.

Analyse avancée : CAD compare, filtres et plus

Dans le cas d'une pièce imprimée en 3D, il est souvent nécessaire d'associer un modèle CAO ou un maillage théorique à la coque mesurée. Une telle opération est complexe et demande des calculs intensifs. Lorsqu'aucun modèle n'est disponible, la surface de référence peut alors être produite par filtrage passe-bas (Filtre S), de la même façon qu'une surface d'ondulation est la référence pour les valeurs de rugosité. De tels filtres seront également disponibles, ainsi que des filtres morphologiques et d'enveloppe, ou des opérateurs de retouche des points. Ces fonctionnalités seront disponibles dans les futures versions de Mountains®.



En tant que produit leader pour l'analyse des états de surface, Mountains® est au carrefour des révolutions en métrologie, afin de fournir les outils nécessaires aux utilisateurs de l'industrie et de la recherche. Les remontées d'expérience des premiers utilisateurs avancés permettront de valider les outils et de préparer les bases d'une future norme sur les coques.

Digital Surf prépare le futur avec des partenaires clé, et une partie de ce futur est déjà disponible dans Mountains® 8.1.

MountainsMap® Premium 8, MountainsSEM® Premium et MountainsLab® Premium incluent tous le module Shell Extension qui ajoute les fonctionnalités sur les coques. Le module est également disponible en option sur d'autres produits.


Ressources additionnelles