Voir l’invisible pour prolonger la vie des infrastructures

Dans un contexte de vieillissement des infrastructures critiques, une question s’impose : comment s’assurer de leur sécurité sans les démonter ni les endommager? C’est précisément à ce défi que s’attaque Pierre Bélanger, professeur à l’ÉTS. Au cœur de ses travaux : les ultrasons, ces ondes sonores imperceptibles capables de révéler l’état interne des matériaux.

Des ultrasons au service de l’inspection industrielle

Le principe est simple en apparence : envoyer des ondes ultrasonores dans un matériau et analyser les échos qui en reviennent. C’est la même logique que l’échographie médicale. Mais dans le monde industriel, les contraintes sont bien différentes.

Contrairement au corps humain, où les organes bougent constamment, une structure métallique, comme une soudure ou une pièce d’avion, est immobile. Les ingénieurs et ingénieures disposent donc de beaucoup plus de temps pour acquérir des données, ce qui ouvre la porte à des méthodes d’imagerie plus complexes et plus précises.

Ces techniques sont utilisées dans une multitude de secteurs : aérospatiale, énergie, industrie pétrolière ou encore infrastructures civiles. Partout où des structures critiques doivent être inspectées régulièrement, le contrôle non destructif devient essentiel.

Du signal brut à l’interprétation fiable

Mais capter des ultrasons n’est qu’une première étape. Le véritable défi réside dans l’interprétation.

Les images ultrasonores sont notoirement difficiles à lire. Une fissure, une porosité ou même une simple variation géométrique peuvent produire des échos similaires. Dans le cas des soudures, par exemple, les formes irrégulières génèrent des réflexions qui peuvent être confondues avec des défauts.

Pour aider le personnel chargé de l’inspection, le laboratoire de Pierre Bélanger développe des méthodes avancées de traitement et d’interprétation des données. Certaines approches s’appuient sur l’intelligence artificielle pour reconnaître les signatures typiques de défauts. D’autres reposent sur la physique des ondes, en analysant précisément comment celles-ci interagissent avec différents types d’anomalies.

L’objectif n’est pas de remplacer l’expertise humaine, mais de la renforcer en fournissant des indices, en simplifiant la lecture des images et en réduisant les risques d’erreur.

Rendre les inspections plus accessibles

Un autre axe majeur de recherche du laboratoire concerne les instruments eux-mêmes. Les appareils d’imagerie ultrasonore peuvent coûter jusqu’à 100 000 $, un frein important pour de nombreuses entreprises.

Au cours des dernières années, l’équipe de Pierre Bélanger a développé une nouvelle méthode d’acquisition des signaux qui pourrait réduire ces coûts d’un facteur dix. Une avancée majeure, qui permettrait de démocratiser l’accès à ces technologies et d’augmenter la fréquence des inspections.

Ces travaux se font en étroite collaboration avec l’industrie, notamment avec Evident Scientific, un leader mondial du domaine, par le biais de la Chaire de recherche Évident Scientifique sur le contrôle non destructif ultrasonore. Plusieurs innovations issues du laboratoire ont d’ailleurs déjà été commercialisées, renforçant le rôle du Québec comme pôle stratégique du contrôle non destructif par ultrasons.

Détecter l’indétectable

Traditionnellement, les ultrasons servent à repérer des discontinuités : fissures, vides ou inclusions. Mais certains projets repoussent ces limites.

Dans un cas en aérospatiale, l’objectif était de détecter un alignement particulier des grains dans des alliages de titane, une microstructure qui n’est pas un défaut en soi, mais qui peut favoriser l’apparition de fissures en service. Le défi : repérer cette organisation même sans rupture nette dans le matériau.

Pour y parvenir, l’équipe de recherche a dû développer de nouvelles approches capables de capter des variations extrêmement subtiles. On ne parle plus simplement de détection de défauts, mais de véritable caractérisation des matériaux.

Dans un autre projet, l’équipe a dû adapter ses méthodes pour inspecter d’immenses blocs d’acier forgé, pouvant atteindre un mètre d’épaisseur, bien au-delà des pièces habituellement étudiées en laboratoire. Ici, l’innovation ne résidait pas dans une nouvelle technologie, mais dans la capacité à transposer des méthodes existantes à une échelle totalement différente.

Surveiller en continu plutôt qu’inspecter ponctuellement

Au-delà de l’inspection ponctuelle, Pierre Bélanger s’intéresse aussi à la surveillance à long terme. Son équipe a développé des sondes ultrasonores capables de rester en place pendant des années pour suivre l’évolution d’un défaut.

Ces capteurs, conçus pour fonctionner à très basse consommation d’énergie et résister à des températures allant jusqu’à 600 °C, permettent de surveiller en continu des infrastructures critiques. Une startup issue du laboratoire, technologies Matrius, a d’ailleurs contribué à transformer cette technologie en solution industrielle.

L’intérêt pour ce genre de technologie est majeur : plutôt que d’inspecter à intervalles fixes, on peut suivre en temps réel la progression d’une fissure ou de la corrosion. Cela permet de maintenir des équipements en service en toute sécurité, tout en préparant leur éventuel remplacement.

Cette approche s’inscrit dans une tendance de fond : le passage de la maintenance préventive (basée sur un calendrier) à la maintenance prédictive (basée sur l’état réel des structures).

Avec des capteurs intelligents et des algorithmes d’analyse, il devient possible d’intervenir au bon moment, ni trop tôt, ni trop tard. Une évolution qui réduit les coûts, limite les arrêts inutiles et améliore la sécurité.

Une recherche au cœur des enjeux industriels

Les travaux de Pierre Bélanger couvrent un large spectre d’innovations :

• développement d’imagerie 3D plus rapide et plus précise
• utilisation combinée de l’intelligence artificielle et de la modélisation physique
• conception de capteurs capables d’opérer dans des environnements extrêmes
• inspection de matériaux avancés, notamment en fabrication additive et en aérospatiale  

Ces recherches visent toutes un même objectif : rendre les inspections plus rapides, plus fiables et plus accessibles.

Prolonger la vie… en toute sécurité

Au fond, la mission de Pierre Bélanger est simple à formuler, mais complexe à réaliser : permettre d’étirer la durée de vie des infrastructures au maximum, sans compromettre la sécurité.

En rendant visibles des défauts invisibles, en facilitant leur interprétation et en permettant leur suivi dans le temps, ses travaux contribuent à une gestion plus intelligente, plus économique et plus durable de nos infrastructures.