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Résistance à l’arrachement d’inserts montés à chaud : Test et Résultats

Points clés

La résistance à l’arrachement est la force axiale maximale nécessaire pour extraire un insert fileté de son logement plastique et elle indique directement quelle charge un assemblage peut supporter en toute sécurité.
Un essai de traction a été réalisé chez Sculpteo pour mesurer la résistance à l’arrachement d’inserts en laiton montés à chaud de M2 à M6, en versions courtes et longues, intégrés dans des pièces en PA12 MJF.
Des diamètres plus importants et des inserts plus longs offrent une résistance à l’arrachement nettement plus élevée, les configurations les plus robustes atteignant des efforts de l’ordre du kilonewton.
Les inserts ont été installés à l’aide d’un fer à souder à température contrôlée, reproduisant des conditions d’atelier réelles afin que les résultats soient représentatifs des applications clients.

Comprendre la résistance à l’arrachement d’inserts montés à chaud

La résistance à l’arrachement correspond à la force de traction axiale nécessaire pour extraire un insert du matériau support, dans l’axe de la vis.

Elle représente les situations où la fixation est sollicitée en traction directe, par exemple :
– la suspension d’un composant sur une paroi verticale,
– le serrage d’éléments soumis à un effet de levier provoquant un écartement,
– la fixation d’accessoires sur un panneau soumis à une charge de traction.

Contrairement à la résistance à la traction du matériau, qui est une propriété intrinsèque, la résistance à l’arrachement est un indicateur qui dépend de la géométrie de l’insert, du plastique, du procédé de montage et de la conception du bossage imprimé autour de l’insert. Elle constitue souvent le facteur limitant dans les conceptions plastiques allégées car l’insert métallique et la vis sont généralement plus résistants que le plastique qui les maintient, de sorte que la rupture se produit par arrachement de l’insert hors de la pièce.

Facteurs clés influençant la résistance des inserts

Plusieurs paramètres déterminent la charge qu’un insert fileté peut supporter avant de s’arracher.

Diamètre et longueur de l’insert

La taille de l’insert joue un rôle majeur dans sa capacité de tenue.

Des diamètres plus importants mobilisent une plus grande quantité de plastique autour de l’insert, ce qui répartit les contraintes sur une zone plus large et réduit le risque de rupture du matériau.
Des inserts plus longs offrent une surface de contact accrue avec le plastique, ce qui aide également à mieux répartir la charge.
En pratique, si l’encombrement le permet, choisir un insert à la fois plus long et légèrement plus large conduit presque toujours à une meilleure résistance à l’arrachement.

Molettage et géométrie extérieure

La conception extérieure de l’insert détermine la qualité de son ancrage mécanique dans le plastique.

Le molettage (petites crêtes ou stries) crée du frottement et permet au plastique fondu de s’écouler dans les reliefs lors de l’installation, formant une liaison solide après refroidissement.

Les dégagements et nervures hélicoïdales ajoutent des points d’ancrage supplémentaires, ce qui améliore la résistance aux efforts de rotation et de traction.
En résumé, plus l’extérieur de l’insert présente de « texture », plus il agrippe la pièce imprimée, ce qui est particulièrement important pour les plastiques susceptibles de se déformer légèrement sous l’effet de la chaleur ou de la charge.

Matériau de base et procédé d’impression

La méthode d’impression 3D et les propriétés du matériau influencent directement les performances de l’insert.

Dans le cas du PA12 MJF, par exemple, le matériau est relativement résistant et présente une bonne cohésion entre couches par rapport à d’autres procédés d’impression, mais des paramètres comme l’orientation d’impression, la densité de remplissage et l’épaisseur locale des parois continuent de conditionner la charge admissible.
Si les couches sont mal fusionnées (cas fréquent en FDM) ou si la pièce a une faible densité, le plastique autour de l’insert peut se fissurer ou se déformer plus facilement sous l’effort.
L’optimisation des réglages d’impression, notamment une densité plus élevée, une orientation adaptée et une épaisseur de paroi suffisante, peut donc améliorer sensiblement la résistance à l’arrachement.

Qualité de l’installation

Même avec un insert et un matériau adaptés, une installation de mauvaise qualité peut dégrader fortement les performances.

Le diamètre de perçage doit être très proche des recommandations du fabricant de l’insert. S’il est trop petit, le plastique risque de fissurer ; s’il est trop grand, l’insert ne s’ancrera pas correctement.
Le chauffage et l’alignement sont tout aussi critiques. Le fer à souder ou l’outil de pose doit faire fondre l’insert dans le plastique de manière contrôlée, sans brûler ni repousser exagérément la matière autour.
Enfin, il faut veiller à ce que l’insert soit posé bien droit et affleurant, ou la charge sera appliquée de manière inégale et pourra provoquer une rupture prématurée.

Objectif du test

L’étude a été lancée pour répondre à une question récurrente des clients : « Quelle charge un insert montés à chaud dans une pièce imprimée en 3D peut-il supporter en arrachement en toute sécurité ? ». Les objectifs étaient les suivants :

Mesurer la force d’arrachement maximale d’inserts en laiton montés à chaud de M2 à M6, en versions courtes et longues, installés dans des pièces en PA12 imprimées en MJF.
Définir des dimensions de conception recommandées pour les logements d’inserts (diamètre d’alésage, profondeur, diamètre externe et épaisseur de paroi minimale) garantissant des performances robustes.

Aperçu de la méthodologie d’essai

Des éprouvettes dédiées ont été conçues avec un seul insert intégré dans un bossage renforcé, permettant de solliciter l’insert presque en traction pure.
Les pièces ont été imprimées en PA12 par Multi Jet Fusion, une technologie offrant une bonne précision dimensionnelle et des propriétés mécaniques reproductibles, adaptées à des essais comparatifs.

Les essais d’arrachement ont été réalisés sur une machine de traction universelle Zwick/Roell Z005, configurée de manière similaire à des essais de traction standard mais adaptée à la mesure des forces d’extraction d’insert.

Une distance fixe entre les mors et un déplacement contrôlé de la traverse ont été utilisés, la machine enregistrant la force en fonction du déplacement, le logiciel étant paramétré pour fournir directement la force maximale en newtons plutôt que de la convertir en contrainte.
Pour chaque configuration d’insert (diamètre et longueur), cinq éprouvettes ont été testées afin de prendre en compte la variabilité et de calculer une force d’arrachement moyenne ainsi que des valeurs minimale et maximale.

Technique d’installation

Pour reproduire des conditions d’atelier réalistes, les inserts en laiton ont été posés avec un fer à souder à température contrôlée, correspondant à une méthode de montage à chaud pour inserts filetés.

Des avant-trous ont été intégrés dans les éprouvettes imprimées, avec des diamètres et profondeurs définis dans le tableau de conception, afin d’assurer un ajustement serré une fois le plastique fondu puis resolidifié autour de l’insert.
Le chauffage et le positionnement consistaient à placer l’insert à l’entrée de l’avant-trou puis à l’enfoncer doucement à l’aide de la panne chauffée du fer à souder jusqu’à ramollissement du PA12 environnant.
L’insertion se poursuivait lentement jusqu’à ce que l’insert soit entièrement en place et affleurant à la surface, en maintenant un alignement perpendiculaire pour que le filetage interne reste coaxial avec le trou.
Le refroidissement permettait au plastique fondu de se solidifier à nouveau, verrouillant la surface moletée de l’insert dans le PA12 et créant un ancrage mécanique solide, représentatif de la pratique utilisateur normale.

Résultats de résistance à l’arrachement

Les principaux résultats sont présentés dans un tableau qui associe chaque taille d’insert à ses dimensions de logement recommandées et à la résistance à l’arrachement mesurée.

Résistance à l’arrachement et dimensions des logements

Taille de l’insert	Ø de perçage D [mm]	Profondeur de perçage L [mm]	Ø extérieur A [mm]	Épaisseur minimale de paroi B [mm]	Résistance à l’arrachement [N]
M2 (court)	3,3	3,18	7,16	5,51	477
M2 (long)	3,3	3,99	7,26	5,61	572
M2,5	4,1	3,56	9,50	7,45	825
M3 (court)	4,1	3,56	9,24	7,19	813
M3 (long)	4,1	5,74	9,50	7,45	1 258
M4	5,7	4,70	12,76	9,91	1 372
M5	6,5	6,35	14,32	11,07	> 1 800
M6	8,1	7,92	17,52	13,47	> 1 800

Ces valeurs mettent en évidence plusieurs tendances claires.

L’augmentation du diamètre augmente la résistance : la résistance à l’arrachement passe de 477 N pour un insert M2 court à plus de 1 800 N pour des inserts M5 et M6 lorsqu’ils sont montés avec une géométrie de logement recommandée.
Les inserts longs sont plus résistants : pour M2 et surtout M3, la version longue offre une résistance à l’arrachement nettement supérieure à la version courte, ce qui confirme que la longueur noyée supplémentaire donne au plastique une plus grande surface d’adhérence.
L’épaisseur de paroi est essentielle :
l’épaisseur minimale recommandée autour de l’alésage, donnée par
𝐵 = ( 𝐴 − 𝐷 ) / 2, garantit que le bossage en plastique ne se fissure pas avant que l’insert n’atteigne sa limite d’arrachement.
Dans tous les cas, la rupture s’est produite par arrachement de l’insert hors du PA12 lorsque la charge atteignait la valeur indiquée, et non par matage du filetage ou rupture de la vis, ce qui rend ces valeurs directement pertinentes pour la conception des assemblages.

Comment utiliser ces résultats dans vos conceptions

Le tableau peut être utilisé comme outil de dimensionnement rapide lors de la conception de pièces imprimées en 3D intégrant des inserts filetés.

Estimer la charge de service maximale
Déterminez la charge de traction maximale que verra l’assemblage vis–insert, en incluant le poids statique, les chocs et les effets dynamiques comme les vibrations.
Choisir un facteur de sécurité
Pour des applications non critiques, un facteur de sécurité de 2 à 3 sur la résistance à l’arrachement est courant ; pour des pièces structurelles ou de sécurité, des facteurs de 3 à 5 ou plus sont recommandés afin de tenir compte de la variabilité des matériaux, du vieillissement et des tolérances de montage..
Choisir la taille et la longueur de l’insert
- Relevez la résistance à l’arrachement dans le tableau et divisez-la par votre facteur de sécurité pour obtenir une charge de service admissible approximative par insert.
- Par exemple, un insert M3 long offre 1 258 N ; avec un facteur de sécurité de 3, la charge de service recommandée est d’environ 420 N en traction pure par insert.
- Si cette valeur est trop faible pour votre application, passez à un insert plus grand (M4–M6), choisissez la version longue plutôt que la courte, ou utilisez plusieurs inserts pour partager la charge.
Concevoir le bossage et le logement
Utilisez dans votre modèle CAO le diamètre de perçage D et la profondeur L indiqués dans le tableau afin de garantir un ajustement correct.
Maintenez au moins l’épaisseur de paroi minimale B autour de l’alésage ; des parois plus épaisses peuvent encore réduire le risque de fissuration, en particulier dans les zones sollicitées en impact ou à parois minces.
Prévoyez des congés généreux et évitez de placer les inserts trop près des arêtes ou des angles afin de limiter les concentrations de contraintes.
Aligner les conditions de montage
- Utilisez un fer à souder à température contrôlée et installez les inserts à fleur, comme dans les essais, afin de rester au plus près de la configuration validée.
- Évitez la surchauffe, qui peut dégrader le plastique, et vérifiez l’alignement pour prévenir les charges de flexion sur l’insert qui n’étaient pas présentes dans le montage d’essai.
Validation pour les applications exigeantes
Pour les conceptions à forts enjeux, envisagez de réaliser quelques essais d’arrachement sur des pièces représentatives afin de confirmer que votre géométrie, votre orientation d’impression et votre environnement reproduisent ou dépassent les performances indiquées dans le tableau.

Vous ne savez pas quel insert convient à votre projet ?

Nos experts peuvent vous recommander la meilleure option en fonction de votre matériau, de la charge et de la conception !

Conclusion

La résistance à l’arrachement des inserts filetés est un paramètre de conception clé pour des assemblages imprimés en 3D durables et maintenables, en particulier lorsque les vis travaillent en traction plutôt qu’en cisaillement.
La campagne d’essais de Sculpteo sur des inserts en laiton montés à chaud dans du PA12 MJF quantifie l’influence du diamètre, de la longueur et de la géométrie du logement sur la résistance à l’arrachement, avec des forces mesurées allant de quelques centaines de newtons pour des inserts compacts M2 à plus de 1 800 N pour des tailles M5 et M6.
En respectant les dimensions de perçage recommandées, les épaisseurs de paroi minimales et en appliquant des facteurs de sécurité adaptés, les concepteurs peuvent intégrer en toute confiance des inserts filetés dans leurs pièces imprimées et garantir que l’assemblage résistera aux charges réelles avec une marge confortable.