Cellule Triaxiale Transparente aux Rayons X : Analyse In-Situ en Tomographie 3D
Le BRGM, service géologique national français, avait besoin de visualiser les déformations internes d’échantillons de roche dans des conditions de pression et de température simulant des environnements géologiques profonds. IRIAN MECATRONICS a relevé le défi en concevant et fabriquant pour le BRGM une cellule triaxiale sur mesure, entièrement transparente aux rayons X, permettant une analyse tomographique 3D en temps réel pendant les essais mécaniques.
Défi Technique : Simuler des Conditions Géologiques Extrêmes sous Observation Rayons X
L’objectif du BRGM était de dépasser les limites des équipements standards, qui ne permettent pas l’observation directe des micro-mécanismes internes (fissuration, circulation de fluides) d’un matériau sous contrainte. Pour y parvenir, leur cahier des charges imposait une série de contraintes techniques complexes :
- Observation in-situ : Nécessité absolue de visualiser la microstructure de l’échantillon de roche en 3D et en temps réel, sans interrompre l’essai mécanique.
- Compatibilité Matérielle : Le corps de la cellule devait être fabriqué dans un matériau à faible atténuation des rayons X tout en résistant à des pressions de confinement élevées.
- Performance et Pression : Capacité à maintenir une pression de confinement hydrostatique jusqu’à 20 MPa (200 bar) de manière stable.
- Contrôle Thermique : Exigence d’un contrôle précis et homogène de la température de l’échantillon jusqu’à 150°C.
- Instrumentation Avancée : Intégration de multiples capteurs internes (pression de pore, température) au plus près de l’échantillon, sans créer d’artefacts sur l’image radiographique.
- Intégration Physique : La cellule devait s’intégrer parfaitement dans l’espace confiné d’un micro-tomographe à rayons X existant, incluant les contraintes de rotation de la platine.
Conception sur Mesure : Une Cellule Triaxiale en Composite pour l’Imagerie 3D Haute Pression
Pour répondre au cahier des charges exigeant du BRGM, le bureau d’études d’IRIAN MECATRONICS a développé une solution entièrement personnalisée, axée sur le choix des matériaux et une conception mécanique innovante.
Notre approche s’est concentrée sur plusieurs points clés :
- Sélection d’un matériau composite : Pour le corps de la cellule, nous avons opté pour un composite haute performance en fibre de carbone et PEEK. Ce choix offre un ratio optimal entre une excellente résistance mécanique pour supporter la haute pression et une très faible atténuation des rayons X, garantissant des images tomographiques de haute qualité.
- Conception optimisée des embases : Les embases supérieure et inférieure, ainsi que les pistons, ont été usinés en alliage de titane (TA6V). Ce matériau a été choisi pour sa grande résistance et sa faible densité, nous permettant de concevoir des pièces compactes qui maximisent la « fenêtre » d’observation transparente autour de l’échantillon.
- Système de chauffage et fluidique intégré : Un système de chauffage par cartouches a été intégré directement dans les embases pour assurer une montée en température rapide et homogène. Les circuits d’injection pour la gestion de la pression de pore ont été usinés à l’intérieur des composants pour minimiser l’encombrement.
- Passages de capteurs étanches : Un défi majeur était de faire passer les câbles des capteurs internes à travers la barrière de pression. Nous avons développé un système de passages étanches multi-voies sur mesure, assurant une instrumentation fiable sans aucune fuite, même à pression et température maximales.
Le résultat est un équipement de pointe qui ouvre de nouvelles perspectives pour la recherche en géosciences, permettant au BRGM de corréler directement les propriétés mécaniques d’un matériau avec les évolutions de sa microstructure 3D.
Quelques Exemples de nos Conceptions sur Mesure
