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Mécanique & Industries 4 (2003) 421–428

Méthode de mesure d’état de surface par analyse vibratoire du frotd’un tribomètre

Measurement of surface state by vibration analysisof tribometer friction block

Stéphane Fontainea,∗, Marie-Ange Buenoa, Marc Rennera, Nathalie Nicolettib

a Laboratoire de physique et mécanique textiles, École nationale supérieure des industries textiles de Mulhouse, Université de Mulhouse11, rue Alfred Werner, 68093 Mulhouse cedex, France

b Laboratoire modélisation intelligence processus systèmes, École supérieure des sciences appliquées pour l’ingénieur, Mulhouse, Université deulhouse,12, rue des Frères Lumière, 68093 Mulhouse cedex, France

Reçu le 28 avril 2003 ; accepté le 2 juin 2003

Résumé

Dans de nombreux domaines techniques, il est important de déterminer de manière de plus en plus fine l’état de surface d’unAfin de répondre à ces besoins croissants, une nouvelle méthode capable d’évaluer l’état de surface d’un matériau en fournissade rugosité–frottement est en cours de développement. Cette méthode est basée sur le principe d’un tribomètre de type « lameoù la surface analysée forme le disque. Lors de ce travail, nous montrerons l’efficacité de notre méthode par un exemple concernde différents tissus éponge (type serviettes de bain) dont l’état de surface est aléatoire. Ces tissus ont subi différents lavages edes toucher qui ont été classés selon leur douceur par un panel d’experts entraîné. Nous montrerons notamment que notrelargement plus sensible que celles utilisées traditionnellement dans le domaine textile pour évaluer l’état de surface. De plus, grâceconcernant des non-tissés destinés à l’hygiène pour bébés, nous montrerons aussi que cette méthode de mesure est capable defines variations d’état de surface. 2003 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS. Tous droits réservés.

Abstract

In several technical applications, it is necessary to determine the surface state of materials more and more accurately. In ordernew method which is able to evaluate the surface state of materials is developed. This method gives a roughness–friction criterionthe principle of a tribometer of type “blade–disc” where the analysed surface is the disc. During this work, we will point out the effecof our method owing to the study of several towels. These towels have random surface and had been washed with different treatmthe touch of these towels had been classified with a human trained panel. We will demonstrate that our method is much more sentraditional ones used to evaluate the surface state of textiles. Moreover, owing to the study of nonwovens used in the baby tissuewe will show that our method is able to distinguish fine modifications of surface state. 2003 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS. Tous droits réservés.

Mots-clés :Tribologie ; Vibration ; Toucher

Keywords:Tribology; Vibration; Touch

* Auteur correspondant.Adresse e-mail :[email protected] (S. Fontaine).

1296-2139/$ – see front matter 2003 Éditions scientifiques et médicales Eldoi:10.1016/S1296-2139(03)00076-9

sevier SAS. Tous droits réservés.

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1. Introduction

Il est important dans certains domaines de déterml’état de surface d’un matériau ou les modifications dtel état de surface. Cet état est fonction du matériau codéré : matériaux fibreux, textile, peau humaine, cuir,pier, métaux, bois, matières plastiques, etc. Il est égaleutile de quantifier une modification de l’état de surfacematériau lors de son procédé de fabrication ou de sonlisation. Il existe jusqu’à présent un premier type d’apreillages qui mesurent la topographie de la surface àlyser, par exemple par méthode optique, mécanique ouimagerie. Le profil de la surface est ensuite étudié selonsieurs techniques :

• Les méthodes statistiques [3] : dans ce cas, le proficonsidéré comme une population d’éléments définisdeux ou trois coordonnées. L’analyse concerne d’part la hauteur des aspérités (moyenne, déviationrapport à la moyenne, écart-type, obliquité, finesse, eet d’autre part leur répartition sur la surface (distamoyenne entre deux aspérités, etc.)

• Les méthodes usuelles utilisées dans le traitement dgnal, telles que l’analyse fréquentielle, l’analyse temrelle, l’analyse temps–fréquence, etc.

• Les méthodes chaotiques telles que l’analyse fracta

Il existe un second type d’appareillages qui mesudirectement le comportement au frottement d’une surau moyen d’un palpeur mécanique. Dans ce cas, le smesuré est étudié en régime transitoire ou permanenles méthodes usuelles du traitement du signal, les méthstatistiques ou chaotiques citées ci-dessus.

Ces différentes méthodes d’investigation ont chacuneinconvénients. En effet, les méthodes statistiques utilidans la mesure d’une topographie ou du frottementtoutefois peu sensibles pour certaines applications,l’information est prise dans son ensemble et les différenimportantes peuvent être noyées dans le signal renl’analyse peu discriminante. De plus, il est nécessairedéterminer le paramètre le plus sensible pour la surfaanalyser, d’où une certaine difficulté à extraire un paramunique et universel.

Quant aux méthodes usuelles du traitement du si(analyse de Fourier), elles peuvent être très précisesle cas de surfaces périodiques mais sont peu adaptéesurfaces non périodiques. D’autre part, il s’agit de méthocomparatives et en aucun cas absolues.

Enfin, les méthodes chaotiques, en particulier le cade la dimension fractale, ont les mêmes inconvénientsl’analyse statistique, car elles considèrent l’ensemblel’information donnée par la mesure.

La méthode présentée vise à pallier ces inconvénienproposant un dispositif d’évaluation et son procédé de men œuvre qui permettent d’analyser une surface préseou non une périodicité, de la caractériser par un param

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et de comparer des surfaces totalement différentes parstructure, leur texture, le ou les matériaux les composales éventuels traitements de surface subis.

2. Présentation de la méthode

La nouvelle méthode de mesure de l’état de surfd’un matériau proposée [1] est basée sur le principe ddispositif de type « lamelle–disque ». Le matériau testéplacé sur un disque en rotation pendant qu’une lamprécontrainte frotte sur sa surface (Fig. 1).

Le palpeur est aujourd’hui en forme de lamelle rectgulaire, en acier fin. Il est équipé de jauges d’extensotrie. Celles-ci permettent de mesurer les déformations dlamelle lors du frottement. Ce n’est pas la force de froment induite sur la lamelle qui est mesurée mais la vibtion de cette dernière. Lors du frottement, la lamelle estcitée par la surface et vibre suivant certains de ses mpropres. Afin de caractériser la vibration de la lamelleest nécessaire de transformer le signal temporel dans lmaine des fréquences afin d’obtenir des spectres dansquels des pics de fréquences sont visibles pour chacunmodes propres de la lamelle. Pour cette analyse, nous cdérons la moyenne de 150 spectres de la densité spectrpuissance :

DSP(f ) = ∣∣X(f )∣∣2 (1)

oùf est la fréquence en Hz,X(f ) est la transformée de Fourier du signal temporelx(t) correspondant à l’amplitude devibrations de la lamelle dans ses modes propres. Dans lde notre mesure,x(t) s’exprime en Volts.

On peut alors déduire l’énergie de vibration de la lampour chaque mode propre entre deux fréquencesf1 et f2correspondant au mode choisi

E〈f1;f2〉 =f2∫

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Fig. 1. Schéma du dispositif avec une lamelle vibrante instrumentée

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Fig. 2. Spectre du signal vibratoire.

Fig. 3. Prototype de mesures.

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On peut alors avancer que plus l’énergie d’un moest importante, plus l’amplitude de vibration de la lamedans ce mode sera grande. Le spectre moyen de cgnal vibratoire (Fig. 2) montre plusieurs modes dont laquence ne dépend que de la lamelle. De plus, l’amplitet l’énergie de ces modes proviennent de la topograde la surface testée. Chaque surface peut donc être ctérisée par l’amplitude ou l’énergie de chacun des moet être comparée à une autre surface quelle qu’elleCes amplitudes donnent des informations différentes : sture ou propriétés en flexion de la pilosité ou encore l’semble des deux (dans le cas d’une surface textile,exemple).

Le prototype de mesures nous permet de faire vade façon très précise les conditions de mesure. Ainsipositionnements de la lamelle autour du plateau de mesont maîtrisés grâce à des platines équipées de bmicrométriques (Fig. 3). La vitesse de rotation du plat

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de mesure est aussi parfaitement contrôlée (vitesse comentre 0,359 et 0,937 Hz).

3. Exploitation des informations issues de chaque modede vibration

Le principal problème que nous avons à résoudre eslier les informations fournies par les modes de vibratet les caractéristiques de la surface testée. Pour ce faipremière démarche a consisté à isoler les modes pertipour notre mesure. Par la suite, nous avons étudié l’évolude chacun de ces modes sélectionnés afin de décrire ude surface.

3.1. Définition des modes pertinents pour notre mesure

Ces modes ont été définis par une approche mode notre lamelle grâce à une simulation par élém


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Fig. 4. Allure des déformées (modes 1, 2 et 3).

Tableau 1Fréquences issues de l’expérience

Fréquence mesurée(Hz) 35 77 127 175 258 370 480 620

Tableau 2Fréquences simulées

Fréquence calculée(Hz) 22 36 128 148 260 333 452 539

finis. Nous avons commencé par ne pas considéremodes d’ordre supérieur à quatre, c’est à dire pourfréquences supérieures à 600 Hz, car au-delà, le rapsignal sur bruit devient trop important du fait des très faibamplitudes de vibration. Le modèle consistait à simuune plaque encastrée-libre-appuyée-libre,aux dimensionotre capteur, afin de déterminer les fréquences de vibrainsi que l’allure des déformées pour ces modes (FigCes résultats ont été corrélés avec l’expérience commmontrent les Tableaux 1 et 2.

On peut constater que le mode 1 vibre en effectuune translation au niveau du contact. Ce phénomènelargement atténué pour les modes d’ordre supérieur.implique que le comportement au frottement du capsera sensiblement différent pour le mode 1. A partircette observation, nous avons décidé de ne conserveles informations de deux modes à savoir le mode 1 (environs de 36 Hz) et le moden (aux environs de 260 Hzd’ordre supérieur à 2. Le mode n a été choisi autour deHz, car nous avons constaté que pour les modes d’osupérieur 2 et aux alentours de cette fréquence de vibrales tendances observées sont en général similaires poumême modification d’état de surface et ce, quelles que soles dimensions de la lamelle utilisée. Par ailleurs, l’énede vibration de ce mode (aux environs de 260 Hz)supérieure à celle des autres modes hors mode 1 (cf. Fi

3.2. Représentation d’un état de surface

Lorsque les tendances du mode 1 et du mode ndifférentes et que par conséquent les résultats sont difficexploiter, nous proposons une lecture plus aisée des résissus de notre méthode de mesure grâce à une représen

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Fig. 5. Représentation des résultats, mode 1= f (moden).

graphique présentant l’évolution du mode n (aux envirde 260 Hz) en fonction du mode 1 (aux environs de 36et ceci, pour chaque échantillon testé (Fig. 5). Les fodifférences d’amplitude entre la fréquence de résonafondamentale (aux environs de 36 Hz) et les fréquencesmodes d’ordres supérieurs nous a obligé à « normer »résultats par rapport à la valeur maximale mesurée, epour chaque mode.

Cette représentation comporte de plus l’avantage devoir comparer n’importe quel type de surface avec une aen prenant bien soin de toujours bien « normer » chaqueleur. D’autres investigations ont montré que lorsque le cficient de frottement diminue, la lamelle semble davantvibrer dans son 1er mode. Ceci est probablement dû auque la déformée du mode 1 (36 Hz) implique un déplament horizontal au niveau du contact et que plus ce mvement sera facilité, plus les amplitudes des vibrations dce mode seront grandes. Nous avons aussi observé qmode 3 est plus sensible aux variations de rugosité. Cedant, sur de telles surfaces, le coefficient de frottement aque la rugosité sont la résultante d’une combinaison cplexe entre la pilosité, la hauteur du relief de la surfacla nature du matériau constituant cette dernière. Il est dsouvent difficile de scinder distinctement les évolutions drugosité et du coefficient de frottement lorsqu’un paramde production des échantillons change.

4. Résultats et discussions

4.1. Tissus éponges

4.1.1. Description des surfacesLes premières surfaces considérées sont des tissus

ges, type serviettes de toilette. La surface d’un tel test particulière du fait de son aspect aléatoire, donc npériodique contrairement à la plupart des surfaces textLes échantillons étudiés proviennent tous du même téponge en 100 % coton ayant subi sept types de lavag


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Fig. 6. Energie des modes de vibration de la lamelle en fonction ddouceur pour des tissus éponges.

séchages qui diffèrent par la nature des détergents utet le nombre de cycles de lavage. A l’issue de cestraitements différents, les échantillons ont été classésun panel d’experts selon le critère « douceur ». Une notdouceur a été donnée à chaque échantillon de telle fqu’une note faible corresponde à une très grande douet une note élevée à une faible douceur. L’objectif était ade retrouver ce classement par la mesure. Ces tissusont été fournis par la société Unilever qui les a évaluésanalyse sensorielle avec son propre panel.

4.1.2. Résultats fournis par le tribomètre« lamelle–disque »

Les surfaces ont été testées à l’aide du tribomètre « lale–disque ». Les spectres obtenus présentaient trois mpropres individualisés, l’énergie de ces trois modes a dété exploitée. Les résultats (Fig. 6) montrent que l’évolude l’énergie des second et troisième modes visibles, restivement à 128 et 260 Hz, correspond au classement deceur effectué par le panel. Ces résultats sont donc toutsatisfaisants. De plus comme les modes 1, 2 et 3 évoluemanière simple (monotone), la représentation norméesentée plus haut ne se justifie pas. Nous avons doncplement montré l’évolution de l’énergie de chaque modefonction de la note de douceur de l’échantillon.

4.1.3. Comparaison avec les méthodes traditionnellesLes résultats précédents ont été comparés à ceux p

nant d’une méthode faisant référence dans le domainetile, à savoir le Surface Tester du Kawabata Evaluation Stem for Fabrics [2]. Cet appareil mesure le coefficientfrottement MIU de la surface contre un palpeur en acconstitué de dix cordes à piano accolées, sa déviationrapport à la moyenne MMD et la déviation par rapporla moyenne du profil SMD, correspondant au Ra, mesul’aide d’un palpeur constitué d’une corde à piano en acLes résultats sont présentés dans les Figs. 7 à 9.

Les résultats montrent que, contrairement au tribom« lamelle–disque », le coefficient de frottement, son émoyen et le Ra ne suivent que très grossièrement lesement du panel, ces méthodes sont donc moins sensi

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Fig. 7. MIU (coefficient de frottement) en fonction de la douceuréchantillons d’éponge.

Fig. 8. MMD (écart moyen de MIU) en fonction de la douceur déchantillons d’éponge.

Fig. 9. SMD (écart moyen du profil, Ra) en fonction de la douceuréchantillons d’éponge.

des modifications de l’état de surface d’une étoffe que nméthode.

4.2. Non-tissés destinés à l’hygiène des bébés

4.2.1. Description des surfacesLa deuxième série de surfaces testées sont des non-

destinés à la fabrication de lingettes pour bébé de la soJacob Holm Industries. Ces lingettes sont destinées à


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imprégnées par des lotions hygiéniques. Ces non-tisséles caractéristiques fournies au Tableau 3.

Tous ces produits ont la même structure et ont étébriqués sur la même ligne de production. Une photophie prise au microscope électronique à balayage (Figmontre le type de structure que nous avons testée. Il n’espendant pas intéressant de comparer les différents non-grâce aux photos MEB, car leur structure est trop hétéropour être parfaitement caractérisée par la petite surface

Tableau 3Caractéristiques techniques des non-tissés étudiés

No d’échantillon No de référence Composition Masse surfaciqJacob Holm

J1 JHI 11.075.001 100 % Polyester 75 g/m2

J2 JHI 11.038.001 100 % Polyester 38 g/m2

J3 JHI 20.050.003 65 % Viscose 50 g/m2

35 % PolyesterJ4 JHI 101210-001 100 % Viscose 45 g/m2

Fig. 10. Type de surface étudiée (photo MEB).

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en compte par les photos. Nous comparerons les surdeux à deux en observant l’influence de la variation dmasse surfacique pour les non-tissés J1 et J2 et de la cosition des non-tissés J3 et J4 dont la masse surfacique evoisine. Les mesures ont été effectuées sur des échantde 10 éprouvettes chacun. Les résultats sont présentésFig. 11 qui montre les évolutions des modes 1 et 3 sépment et sur la Fig. 12 qui montre leurs évolutions crois(valeurs normées).

4.2.2. Résultats fournis par le tribomètre« lamelle–disque »

Alors que les résultats semble difficiles à interpréterFig. 11, la représentation croisée (Fig. 12) semble beauplus claire et dévoile les deux points suivants :

• Quand la masse surfacique diminue (J1 et J2), le mosemble stagner et le mode 3 diminuer,

• Quand on ajoute du polyester à la viscose (J4 et J3)modes 1 et 3 diminuent.

Par ailleurs, les marges d’erreurs sont plus importantesle mode 1 (30 Hz) que pour le mode 3 (260 Hz), montrainsi une instabilité de vibration plus importante pourmode.

4.2.3. DiscussionAfin de mieux comprendre les informations données

notre méthode de mesures nous nous proposons d’accogner nos résultats par une analyse en temps-fréquencesgnal. Il s’agit en fait d’observer l’évolution des vibrationsla lamelle sur plusieurs tours de frottement. Un exemplereprésentation en temps-fréquences est présenté à la F

Comme on peut le constater, le mode 1 ne semblecesser de vibrer pendant toute la durée d’un tour de pla

Fig. 11. Résultats expérimentaux, évolutions scindées des modes 1 (36 Hz) et 3 (260 Hz).


Fig. 12. Résultats expérimentaux, représentation croisée des modes 1 (36 Hz) et 3 (260 Hz).

Fig. 13. Représentation en temps fréquence du signal vibratoire, surface J4 (100 % viscose).

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alors que le mode 3 vibre plus fortement deux foistour (évènements entourés en blanc sur la Fig. 13).utilisant un trigger de mesure adéquat, nous avons conque ces vibrations alternées correspondent au momela lamelle est parallèle aux stries que comportent les ntissés. Ce phénomène, dû à la structure striée de la sutestée, est visible sur tous les non-tissés que nous aétudiés. Ce mode semblerait donc bien sensible à l’ampdu relief de la structure testée. De plus, comme nous l’av

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expliqué plus haut, la déformée du mode 1 (autour de 36provoque un déplacement de la lamelle tangentiellemensurface.

Ceci laisse penser que plus ce glissement est faet plus l’amplitude de ce mode est grande. Le modsemble lui être plus sensible au comportement au frottemde l’éprouvette testée. Cependant, l’information donpar chacun des modes provient d’une combinaison ela rugosité et le frottement avec une information sur


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frottement qui semble prépondérante pour le modeune influence de la rugosité plus grande pour le modGrâce à ces observations, on peut conclure que dacas des non-tissés que nous avons testés, la diminde masse surfacique ainsi que l’ajout de polyesterviscose semblerait faire diminuer l’ampleur du relief. Cmontre notamment que la simple modification de maténe modifie pas uniquement le coefficient de frottement, mque la disposition spatiale des fibres dans le non-tissépilosité de surface peuvent être altérées, ce qui peut mole relief d’une telle surface. Par ailleurs, ces résultatsen accord avec les « tests consommateurs » fournis psociété Jacob Holm.

5. Conclusions

Une nouvelle méthode d’évaluation de l’état de surfest présentée. Il s’agit d’un tribomètre de type « lamedisque ». Le frotteur est une lamelle encastrée-libre-appulibre précontrainte qui est excitée en vibration dans certde ses modes propres lors du frottement avec une surfaclamelle est instrumentée afin de recueillir le signal vibratoqui est traité par analyse de Fourier et exploité dans lemaine fréquentiel. Le spectre du signal ainsi obtenu présdes pics de fréquences correspondant aux modes propr

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la lamelle dont l’énergie dépend de la surface testée. L’égie de deux des modes propres est exploitée afin de carriser la surface. Une illustration de la pertinence de cettethode est présentée en étudiant des tissus éponge ayandifférents cycles de lavages et ayant été classés par und’experts en fonction de leur douceur. Le classement dopar le tribomètre correspond à celui du panel. Les résulcomparés à une mesure du coefficient de frottement, deécart moyen et du Ra, montrent une sensibilité largemaccrue de notre tribomètre. Nous avons complété l’étudprésentant la caractérisation de non-tissés destinés àgiène des bébés dont la masse surfacique et la compochangent. L’observation de l’évolution du premier modevibration en fonction d’un mode d’ordre supérieur a permde mettre en évidence de fines variations d’état de surfa

Références

[1] M.A. Bueno, S. Fontaine, M. Renner, Dispositif pour évaluer l’étatsurface d’un matériau et procédé de mise en œuvre dudit dispoBrevet français no 00 07490/FR (demande internationale de breno PCT/FR01/01770 du 8 juin 2001), 2000.

[2] S. Kawabata, The Standardisation and Analysis of Hand EvaluaThe Textile Machinery Society of Japan, Osaka, 1980.

[3] Norme ISO 4287, État de surface : méthode du profil. Termdéfinitions et paramètres d’état de surface, 1998.

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