Les essais de résistance à la traction constituent un test fondamental d'ingénierie et de science des matériaux, largement utilisé pour un grand nombre de procédés de fabrication, tels que le moulage par injection, l'usinage et l'impression 3D de qualité industrielle (fabrication additive). Pour l'impression 3D, les essais fournissent des informations sur la qualité et le comportement mécanique d'une matière imprimée en 3D afin de déterminer son comportement sous charge. Les essais de traction permettent également aux fabricants de s'assurer que leur processus est uniforme et respecte les normes industrielles. Les essais de traction sont utiles dans le cadre d'activités de recherche et développement concernant une nouveauté ou une évolution de matière, de procédé de fabrication ou d'application de produit..
Cet article explique comment les essais de traction sont effectués, présente comment les courbes de contrainte-déformation sont calculées, examine les normes couramment utilisées pour les essais de matières et comprend un tableau comparatif des matières avec les résistances à la traction associées.
Considérations relatives aux essais de matières additives
Abordons dans un premier temps la façon dont les ingénieurs testent les « os de chien ». Les échantillons d'essais de traction ou éprouvettes de traction, fréquemment utilisés pour tester les propriétés mécaniques des matières imprimées en 3D, présentent une forme d'os de chien, expliquant leur surnom. Imaginez le biscuit habituel de votre chien. L'os de chien pour les essais de traction présente deux épaulements opposés reliés par une section transversale plus étroite. Chaque extrémité de l'échantillon est serrée dans une machine d'essai de traction, qui applique une traction jusqu'à la rupture de l'échantillon. Cette section transversale plus étroite est conçue pour être un point de rupture prévisible lors d'un essai de traction. La section transversale peut présenter une forme ronde ou rectangulaire. Pensez à un biscuit pour chien qui se casse en deux. Le concept est similaire. Il est plus facile de casser le milieu du biscuit.
La fixation de l'os de chien dans la machine d'essai de traction est le plus souvent effectuée avec des pinces pneumatiques filetées ou dentelées, fixées aux dynamomètres. Instron propose une machine d'essai de traction couramment utilisée (voir illustration). Ces machines d'essai de traction sont d'authentiques machines éprouvées qui appliquent une traction sur l'échantillon jusqu'à sa rupture à une vitesse programmée. Les éprouvettes de traction, ou os de chien, sont placées et serrées par les pinces opposées. La traverse applique une traction sur l'os de chien à une vitesse constante, jusqu'à ce qu'il se déforme et rompe à son point le plus faible. Un dynamomètre mesure avec précision la traction appliquée à l'échantillon et un extensomètre mesure son étirement. La machine peut ainsi générer une courbe de contrainte-déformation destinée à l'analyse.
Courbes de contrainte-déformation calculées
La force, le déplacement et la « déformation » (à quel point la matière s'étire) sont mesurés et les courbes de contrainte-déformation sont affichées graphiquement pour fournir des informations sur de nombreuses propriétés mécaniques.
Les propriétés mécaniques couramment indiquées comprennent la contrainte ultime en traction (contrainte maximale subie par la pièce sous traction) et l'allongement à la rupture (à quel point la « longueur entre repères » s'étire avant la rupture). Le module d'élasticité peut être calculé à partir de ces valeurs en divisant la contrainte par la déformation.
En testant un nombre statistiquement significatif d'os de chien, vous obtiendrez des informations pour votre application de recherche et développement ou votre mesure de contrôle qualité.
Protolabs utilise les méthodes d'essai des normes ASTM pour les essais de matières. Image : Avec l'autorisation du fabricant de systèmes d'essais de matières ADMET
Normes ASTM pour les essais de matières
La norme la plus couramment utilisée et acceptée pour les essais de matières plastiques est l'ASTM D638 - 14 Méthode d'essai standard des propriétés de traction des matières plastiques. Protolabs utilise cette norme pour les essais de matières plastiques imprimées en 3D. Pour certains procédés d'impression 3D, l'orientation de fabrication joue un rôle dans les résultats des propriétés mécaniques. Pour les matières SLA de Protolabs, les éprouvettes de traction, ou os de chien, sont imprimées en 3D et rapportées dans le plan XY, ce qui signifie que la direction de l'essai de traction correspond aux lignes de couche. Pour les matières de frittage laser sélectif de Protolabs, les os de chien sont imprimés en 3D et les valeurs sont indiquées dans les plans XY et Z.
La norme la plus couramment utilisée pour les essais de matières métalliques est l'ASTM E8/E8M – 09 Méthodes d'essai standard pour les essais de traction des matières métalliques. Pour les matières métalliques imprimées en 3D, de nombreuses normes ASTM dédiées décrivent les propriétés mécaniques attendues pour les applications de frittage à base de poudre. Pour les matières de frittage laser direct de métal de Protolabs, les éprouvettes de traction sont imprimées en 3D verticalement, ce qui signifie que la direction de l'essai de traction est transversale par rapport aux lignes de couche. Vous trouverez ci-dessous une liste de normes utilisées pour les essais et les rapports concernant chaque matière d'impression 3D métal.
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Matière DMLS |
Standard |
|---|---|
| Aluminum AlSi10Mg | ASTM F3318-18 |
| Cobalt Chrome | ASTM F3213-17 |
| Inconel 718 | ASTM F3055-14A |
| Acier inoxydable 17-4 PH | AMS5604G |
| Acier inoxydable 316L | ASTM F3184-16 |
| Titane Ti6Al-4V | ASTM F2924-14 |
Comparaison des résistances à la traction : Matières imprimées en 3D
Le graphique des résistances à la traction sur le côté gauche (cliquer pour agrandir) représente les matières Protolabs et leurs résistances à la traction associées.
Les matières SLA ont tendance à être dures et cassantes par rapport aux matières équivalentes moulées par injection. Elles présentent un module d'élasticité élevé et un faible allongement se produit avant la rupture de l'os de chien. Les nylons SLS et MJF sont plus durs que les matières SLA, ils ont donc tendance à présenter un module d'élasticité inférieur et un allongement supérieur. SLS, MJF et SLA présentent une variation de résistance en fonction de l'orientation de fabrication de la pièce : cela est généralement dû à la liaison plus faible entre les couches, mais ces trois matières sont supérieures au dépôt de fil fondu (FDM ou FFF) dans ce domaine.
Les métaux DMLS présentent des caractéristiques de résistance élevées, l'acier inoxydable 17-4 étant le plus résistant et l'aluminium AlSi10Mg le moins résistant.