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Résistance des matériaux d’impression 3D : Module de young et résistance à la traction

Introduction

Lorsqu’une pièce technique est dimensionnée, il est nécessaire de connaître les propriétés du matériau utilisé afin d’anticiper son comportement et de prévenir la rupture. Plusieurs grandeurs physiques permettent de qualifier les matériaux. Les plus facilement exploitables pour le dimensionnement sont le module de Young et la résistance à la traction. Leur valeur est souvent renseignée par les fournisseurs de matière première mais étant donné qu’elle dépend du processus de production, l’équipe de Sculpteo a voulu effectuer ses propres tests pour fournir des valeurs au plus proche du réel.

Définitions

Le Module de Young, (qui tient son nom du physicien britannique Thomas Young) aussi appelé module d’élasticité ou encore module de traction (en Pa, unité de pression), traduit l’élasticité du matériau, c’est-à-dire la relation qui lie la déformation du matériau à la force qu’il faut fournir pour le déformer. Par exemple, il faut peu d’effort pour déformer du caoutchouc, d’où un module de 1MPa (145PSI) environ. En revanche, il faudra un effort important pour allonger une tige d’acier, d’où un module de 200GPa (2.9 EE7 PSI), soit 200 000 fois plus rigide que le caoutchouc. La déformation d’une pièce dépend aussi de sa géométrie, on comprend bien qu’une chaîne plus épaisse est plus  dure à déformer qu’une qui serait fine.

où :
-Epsilon est l’élongation (sans unités)
-Sigma est la contrainte en PA ou PSI
– F est la force appliquée en N ou lbf
– s est la section transverse en m² ou in²

Si l’on applique une force de 400kgForce (4000 N) à une barre de 2cm de rayon (section de 0.00126 m²)  et de 2m de long en acier de module d’Young 200 GPa, l’élongation sera de 0.016 et la barre passera de 2m à 2.032m

Qu’est-ce que la résistance à la traction ?

La résistance à la traction correspond à la contrainte maximale que pourra supporter un matériau avant de se rompre, sa dureté. Cette valeur fait la limite entre la zone plastique et la zone de rupture. Il faut bien distinguer la résistance du matériau et l’élasticité. Un matériau peut être élastique et peu résistant. Un élastique sera plus facilement déformable qu’un spaghetti mais il faudra plus d’énergie pour le casser que ce dernier.

Qu’est ce que l’élongation à la rupture ?

L’élongation à la rupture correspond à l’allongement maximal que pourra subir un matériau avant de se rompre. Il est exprimé sans unité. Si une tige mesurant 10 cm au repos mesure 15 cm juste avant de rompre, son élongation à la rupture sera de 0.5, parfois écrit 50%.

On distingue en fait trois domaines de comportement pour un matériau :

  • le domaine élastique, dans lequel le matériau revient à sa forme initiale si l’on relâche la tension appliquée c’est dans ce domaine que le module d’Young relie contrainte et déformation.
  • le domaine plastique, dans lequel le matériau est déformé de manière irréversible et non linéaire. Un matériau comme de la pâte à modeler ne possède qu’un domaine plastique.
  • la zone de rupture, zone dans laquelle le matériau commence à céder, le matériau se déforme localement très fortement jusqu’à la rupture. La rupture du matériau étant liée à de très nombreux facteurs dont la géométrie de la pièce, son état de surface ou la vitesse de déformation, il est difficile de savoir exactement à quel moment la pièce se brisera.

 

Mode opératoire

En quoi consiste un essai de traction ?

L’essai de traction est une mesure expérimentale consistant à faire subir une élongation à une pièce, tout en mesurant la force qu’il est nécessaire de déployer. L’élongation a lieu à vitesse constante en partant de la pièce au repos et en l’étirant jusqu’à la rupture. Il est ensuite possible de tracer la courbe d’effort en fonction de l’élongation. De cette courbe peuvent être déduits le module d’élasticité du matériau et son élongation à la rupture. Afin d’avoir les résultats les plus généraux nous avons suivi les recommandations des  normes en vigueurs pour les matériaux plastiques d’injection ( ISO 527-2 1BA) (aucune norme dédié à l’impression 3D n’existe pour le moment) Ces éprouvettes de tests comporte une partie large dédié à l’accroche sur la machine et une partie fine qui subira les déformations. Les résultats des tests sont moyennés sur au moins 5 éprouvettes. La zone du milieu est beaucoup plus étroite afin d’assurer que l’élongation puis la rupture aient lieu dans cette zone : la section étant plus faible, l’effort local est plus intense et donc l’élongation plus importante. specimen (1)

Résultats

Les essais de traction ont été menés sur des polymères : le nylon gris  chargé verre, le TPU, le PA11 CF, le polyamide 12 fabriqué en SLS et en MJF. Les différentes finitions de ce dernier ont également fait l’objet de tests à contraintes égales.

Nylon SLS (PA12)

Le nylon PA12 (SLS) étant fabriqué par frittage de poudre couche par couche, les propriétés du matériau ne sont pas les mêmes dans toutes les directions, on dit que le matériau est anisotrope. En effet, la cohésion entre deux couches est moins grande qu’entre les grains de poudre d’une même couche ; si l’on tire perpendiculairement au niveau des couches, le matériau cédera donc plus facilement que dans le sens des couches.

On obtient en moyenne :

  • un module de Young de 1,7 N/mm² (+/-150)
  • une élongation à la rupture de 20% (+/- 5%)
  • une contrainte à la rupture de 45  N/mm² (+/- 3)

Effet de la teinture

La teinture est un traitement du plastique consistant à le plonger dans un bain de teinture à une température élevée, ce qui pourrait changer les propriétés du matériau. Pourtant, la modification semble mineure si l’on se fie aux résultats et les données du PA 12 blanc peuvent être utilisées comme référence.

Effet du lissage chimique

Le lissage chimique est un procédé physico-chimique de traitement du plastique qui modifie en surface les propriétés du plastique pour lui donner un aspect brillant. Il semble donc légitime de vérifier que ce traitement n’altère pas trop les propriétés du PA12. En pratique, on observe que la surface traitée est plus cassante mais sur des épaisseurs de plus de 2mm, les propriétés du plastique restent inchangées.

MJF PA12

Le MJF PA12 suit un procédé différent de notre autre PA12 de la gamme. Il s’agit de la technologie MJF (Multijet fusion) qui va fusionner des couches de matière de façon successive en faisant intervenir des agents de fusion et des agents de détails.

Les propriétés mécaniques du MJF PA12 est comparable à celles obtenus avec la technologie SLS

On obtient en moyenne :

  • un module de Young de 1,7 GPa en impression horizontale et 1,9GPa en impression verticale, soit des résultats similaires
  • une élongation à la rupture de 17% dans le sens des couches et de seulement 9% perpendiculairement (selon la norme ASTM D638)
  • une contrainte à la rupture de 50MPa dans le sens des couches ainsi que  perpendiculairement à celles-ci

Plastique souple (TPU)

Le Ultrasint® TPU 88A (SLS) , comme son nom l’indique, est un matériau extrêmement flexible. Il convient donc plutôt d’utiliser des métriques légèrement différentes pour qualifier ses propriétés mécaniques.

On observe en moyenne :

  • une élongation à la rupture de 270% sur des éprouvettes fabriqués sur l’axe X ou Y, et de 130% pour des éprouvettes fabriqués selon l’axe Z.
  • une contrainte à la rupture de 8MPa sur l’axe de fabrication X/Y et de 7Mpa sur l’axe Z, soit presque 6 fois moins que les polyamides.

https://www.youtube.com/watch?v=oyGbJRaAMtk

Pour les matériaux composites, ils sont à base de nylon auquel on a ajouté des additifs sous différentes formes pour augmenter leur résistance ou diminuer leur masse. Lors de la mise en forme de ces matériaux, c’est le plastique formant la matrice qui donne la géométrie de l’objet tandis que les additifs ne servent que de renforts.

Nylon gris chargé verre

Le Nylon PA12 Gris Chargé Verre est un composite dont la matrice est un nylon PA12 équivalent à nos autres nylon de la gamme. Sa charge en verre lui confère une plus grande rigidité.

Le nylon PA12 chargé verre est un matériau assez isotrope, la présence de renfort (charge) réduit l’anisotropie induite par le procédé couche par couche.

L’alumide possède une assez longue zone élastique et une très petite zone plastique. Son mode de rupture est plutôt fragile.

En moyenne :

  • Un module d’Young de 1.32 GPa en impression X/Y contre 1.4 en impression Z
  • Une contrainte max de 42 Mpa en impression X/Y contre 41 Mpa en impression Z
  • Une élongation à la rupture de 4.4% en impression X/Y et de 4.2% en impression Z

Nylon Chargé Verre

Le Nylon PA12 Gris Chargé Verre est un composite dont la matrice est un Nylon équivalent aux autre polyamides de notre gamme, mais qui est doté d’une charge en verre, ce qui lui confère une plus grande rigidité.

Les renforts sont des microbilles de verre, elles rendent la structure plus solide dans le sens des couches.

Le matériau est très anisotrope avec une solidité très faible perpendiculairement aux plans de dépôt.

En moyenne :

  • Un module d’Young de 3.2 GPa en impression X/Y contre 2,5 en impression Z
  • Une contrainte max de 48 Mpa en impression X/Y contre 42 Mpa en impression Z
  • Une élongation à la rupture de 9% en impression X/T et de 5,5% en impression sur l’axe Z

PA11 CF (chargé carbone)

Le matériaux Ultrasint® PA11 CF est le matériau présentant la plus grande rigidité de notre gamme. (pour le cas des polymère). Il est composé d’une matrice de polyamide 11 biosourcée renforcée par des fibres courtes de carbone. Le matériau est plus léger et plus résistant dans le sens des couches, ce qui le rend particulièrement adapté à la fabrication de pièces mécaniques.

En moyenne :

  • Un module d’Young variant de 4,55 à 5,90 sur l’axe de fabrication X/Y (en fonction de si le produit est “sec” ou “conditionné”)
  • Un module d’Young variant de 2 à 2,5 sur l’axe de fabrication Z (en fonction de si le produit est “sec” ou “conditionné”)
  • Une contrainte max de 48 à 71 Mpa selon les axes de fabrications et selon conditionnement de l’échantillon.
  • Une élongation à la rupture de 7 à 11% en impression X/Y
  • Une élongation à la rupture de 11 à 17% sur l’axe Z.

Ces essais nous donnent de bonnes approximations des propriétés des matériaux produits par Sculpteo et sont en cohérences avec les données que l’on peut trouver dans la littérature. Cependant, ces résultats doivent servir à titre indicatif uniquement et il vaut toujours mieux prototyper une pièce pour s’assurer de sa fiabilité.

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