Développement et validation d’une méthode d’inspection par tomographie à rayons X pour le procédé de perçage laser

Renaud, Phillipe (2025). Développement et validation d’une méthode d’inspection par tomographie à rayons X pour le procédé de perçage laser. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Pour l’industrie aérospatiale, l’inspection par tomographie à rayons X et l’analyse approfondie des trous de refroidissement permettent de mieux comprendre l’influence des paramètres de perçage au laser sur la fabrication des chambres de combustion, tout en contribuant à améliorer les techniques de fabrication laser. L’inspection permet également d’établir le lien entre la géométrie des trous laser et le critère de qualité actuellement utilisé dans l’industrie, à savoir le débit massique passant à travers la chambre. Ce mémoire présente le développement et la validation d’une méthode d’inspection par tomographie à rayons X pour l’analyse des trous d’effusion. La méthode développée permet de mesurer l’angle des trous, la variation de sa surface d’entrée et de sortie et le volume de matière retiré lors du perçage au laser. Ces différentes mesures ont été finalement corrélées au débit d’air et donc le taux de refroidissement associé. La méthode d’inspection automatisée a été développée à l’aide du logiciel Dragonfly 3D World (Comet Group, V. 2024.1), qui mesure les paramètres géométriques résultant du processus de perçage au laser. Cette recherche peut présenter un grand intérêt pour les fabricants de chambres de combustion, tels que les concepteurs de moteurs d’avion, dans le cadre du rejet ou de l’acceptation de ces composants.

Dans la première partie de ce travail, une comparaison entre la tomographie à rayons X et l’analyse métallographique conventionnelle a été réalisée afin d’évaluer la précision des mesures d’angles et de diamètres. Les résultats expérimentaux ont permis de quantifier les écarts entre les deux méthodes, établissant des différences autour de 0.55° pour les angles et entre 47 et 72 μm pour les diamètres. La deuxième partie du travail s’est concentrée sur l’étude du mécanisme d’enlèvement de matière en fonction de l’énergie d’impulsion et du côté de perçage (métal vs céramique). L’analyse a démontré que le sens de perçage influence significativement l’expulsion de la matière, modifiant ainsi la géométrie des entrées et des sorties des trous ainsi que le volume des cavités formées avec des différences de plus de 33%. Enfin, la troisième partie a permis de caractériser l’impact des paramètres laser (angle de perçage, position focale et sens de perçage) sur le débit massique de refroidissement. Les essais réalisés sur un banc de test spécialisé ont montré des variations notables. En effet, une différence d’environ 20% du débit entre des perçages à 35° et 20°, une réduction de près de 35 % liée à un décalage focal de 7.6 mm par rapport à 0 mm, ainsi qu’un écart d’environ 25 % entre un perçage côté métallique et côté céramique. De plus, les surfaces d’entrée se sont révélées systématiquement plus larges que les surfaces de sortie, confirmant l’influence de l’angle de perçage sur la morphologie des trous. Cette recherche met en évidence l’efficacité de la tomographie par rayons X comme méthode rapide et fiable pour l’inspection de trous sub-millimétriques, réduisant le temps d’analyse de près de trois heures (méthodes conventionnelles) à moins d’une heure. Ces résultats ouvrent la voie à une optimisation plus approfondie des procédés de perçage laser appliqués aux systèmes de refroidissement avancés.

Titre traduit

Development and validation of an X-ray tomography inspection method for the laser drilling process

Résumé traduit

For the aerospace industry, X-ray tomography inspection and in-depth analysis of cooling holes would provide a better understanding of the influence of laser drilling parameters on the manufacture of combustion chambers, as well as helping to improve manufacturing techniques. The inspection would also make it possible to establish the link between laser hole geometry and the quality criterion currently used in industry, i.e. the mass flow rate passing through the chamber. This thesis presents the development of an X-ray tomography inspection method for the analysis of effusion holes. The method developed measures the angle of the hole, the entry and exit surface area variation and the volume of material removed during laser drilling. It also makes it possible to correlate the metrics measured by the method with the corresponding cooling rate. This research may be of great interest to combustion chamber manufacturers, such as aircraft engine designers, in the rejection or acceptance of these components. An automated inspection method was developed using Dragonfly 3D World software (Comet Group, V. 2024.1), measuring geometric metrics resulting from the laser drilling process.

In the first part of this work, a comparison between X-ray tomography and conventional metallographic analysis was carried out in order to evaluate the accuracy of angle and diameter measurements. The experimental results confirmed the possibility to quantify the differences between the two methods, establishing differences of around 0.55° for angles and between 47 and 72 μm for diameters. The second part of the work focused on studying the material removal mechanism as a function of pulse energy and the drilling side (metal vs. ceramic). The analysis showed that the direction of drilling significantly influences material expulsion, thereby altering the geometry of the hole entrances and exits as well as the volume of the cavities formed, with differences of more than 33%. Finally, the third part characterized the impact of laser parameters (drilling angle, focal position, and drilling direction) on the cooling mass flow rate. Tests performed on a specialized test bench showed significant variations. In fact, there was a difference of approximately 20% in flow rate between drilling at 35° and 20°, a reduction of nearly 35% linked to a focal shift of 7.6 mm compared to 0 mm, and a difference of approximately 25% between drilling on the metal side and the ceramic side. In addition, the inlet surfaces were consistently larger than the outlet surfaces, confirming the influence of the drilling angle on the morphology of the holes. This research highlights the effectiveness of X-ray tomography as a fast and reliable method for inspecting micro-holes smaller than one millimeter in diameter, reducing analysis time from nearly three hours (conventional methods) to less than one hour. These results pave the way for further optimization of laser drilling processes applied to advance cooling systems.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire par article présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 109-118).
Mots-clés libres:	perçage au laser, tomographie par rayons X (CT), processus d'inspection, trous d'effusion, angle de perçage, chambre de combustion, métrologie, coupes métallographiques, enlèvement de matière
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Demers, Vincent
Codirecteur:	Codirecteur Brailovski, Vladimir
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	04 mars 2026 15:26
Dernière modification:	04 mars 2026 15:26
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3803

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