DÉFI DU CLIENT
Les produits et les composants fabriqués avec des procédés de fabrication additive ont souvent des formes complexes comportant une épaisseur de paroi variable et des sections fines difficiles à tester. Essayer de créer plusieurs échantillons de taille standard des matériaux utilisés dans ces produits ou composants est long et coûteux. Cela peut également s’avérer problématique compte tenu de la possibilité d’une histoire thermique différente au cours de la fabrication, c’est-à-dire un effet de taille où des parois fines de l’ordre du dixième de millimètre présenteront des propriétés différentes de celles d’un échantillon de plus grande taille. Pour évaluer les propriétés mécaniques réelles du matériau, les échantillons doivent être représentatifs, ce qui signifie qu’ils doivent être extraits d’un composant réel, ou bien fabriqués au même endroit, avec la même orientation et dans la même gamme de taille. Toutes ces raisons expliquent pourquoi les essais sur de petites éprouvettes peuvent fournir une représentation plus précise des propriétés du matériau.
COMTES FHT, un institut de recherche privé situé en République tchèque, perfectionne depuis plus de 15 ans les techniques d’essais sur de petites éprouvettes. Le professeur en ingénierie Jan Džugan, directeur de la recherche et du développement chez COMTES FHT, a créé le laboratoire d’essais mécaniques en 2006 et les méthodes d’essai sur de petites éprouvettes furent le premier projet de recherche à long terme de l’institut. Actuellement, Jan Džugan est chargé de mettre en œuvre les exigences concernant les essais d’éprouvettes de petite taille dans les normes relatives aux essais uniaxiaux (ASTM E28) et à la fabrication additive (ASTM F42). Sa thèse de doctorat supervisée, ainsi qu’un grand nombre de ses articles scientifiques traitent des essais sur des éprouvettes de petite taille.
« Avant de parler davantage des éprouvettes de petite taille, il serait bon de clarifier ce que cela signifie pour nous », explique Jan Džugan. « Les éprouvettes de taille standard étant différentes pour chaque essai, nous pouvons affirmer en gros que le volume des éprouvettes de petite taille est environ 100 fois plus petit. Dans le domaine des essais sur de petites éprouvettes, il existe essentiellement deux groupes d’essais : les essais directs avec des éprouvettes réduites ou les méthodes indirectes qui mesurent une certaine quantité liée aux essais standard par corrélation spécifique.Chez COMTES FHT, nous nous intéressons davantage au premier groupe de méthodes d’essais. »
Les premières recherches de COMTES FHT dans le domaine des méthodes d’essais de mini-échantillons se sont concentrées sur les essais SPT (Essai de micro-emboutissage) que Jan Džugan avait déjà expérimentés. « Cependant, au bout d’un certain temps, nous nous sommes demandé pourquoi nous devions effectuer des SPT, alors que nous pouvions effectuer des essais de traction sur le même volume de matériau », rapporte Jan Džugan. « Cette initiative a porté ses fruits et nous avons mis au point des procédures d’essais reposant sur la miniaturisation des éprouvettes standard plutôt que sur la corrélation entre les échantillons de différents modes de chargement et vitesses de déformation. Au fil des ans, notre équipe composée des chercheurs scientifiques suivants : Dr Pavel Konopík, Dre Eva Chvostová, Dr Radek Procházka, Martin Rund et Jindrich Vokac, a développé ou adopté des méthodes d’essais permettant de déterminer les propriétés de traction, la température de transition en fonction de l’impact, la résistance à la rupture, les essais de vitesse de propagation des fissures de fatigue, les essais de fatigue oligocyclique et mégacyclique et les essais de fluage. Nous pouvons désormais effectuer la plupart de ces essais dans des conditions d’essais non ambiants. »
Bien que les techniques d’essais sur de petits éprouvettes aient été développées à l’origine pour évaluer la durée de vie résiduelle dans l’industrie électrique, il s’est avéré que les techniques basées sur de petits échantillons s’appliquaient surtout aux essais de matériaux issus de la fabrication additive.
EXIGENCES EN MATIERE D’ESSAIS
Les essais sur de petites éprouvettes de matériaux fabriqués de manière additive posent des défis spécifiques qui imposent quelques exigences :
Bâti de charge : les essais de mini-échantillons nécessitent de faibles vitesses à des vitesses de déformation standard, la stabilité à ces vitesses très lentes de vérin est donc cruciale.
Mesure de la déformation : les jauges mécaniques à clipser ne s’insèrent généralement pas entre les mors, il est donc préférable d’utiliser la mesure de déformation optique. COMTES FHT utilise des solutions de corrélation d’images numériques en 2D et 3D. Selon Jan Džugan, « pour les petits objets plats et les déformations plutôt faibles, la corrélation d’images numériques en 2D fonctionne bien et ne nécessite pas une aussi grande puissance informatique. »
Alignement : la norme ASTM E1012 actuelle ne s’applique pas totalement à l’alignement des mini-échantillons de traction. COMTES FHT utilise actuellement des systèmes de corrélation d’images numériques pour vérifier et ajuster l’alignement des éprouvettes pendant la préhension et le chargement et s’attend à ce que l’élaboration de nouveaux processus soit nécessaire pour spécifier des paramètres représentatifs pour l’alignement des mini-échantillons.
Préhension : « aucun mors n’est actuellement disponible dans le commerce pour les essais de traction sur des mini-échantillons, nous avons donc dû les concevoir nous-mêmes », explique Jan Džugan. « Il est essentiel d’avoir une bonne préhension, car l’éprouvette peut se plastifier ; cela doit donc être fait avec le plus grand soin. »
SOLUTIONS MTS
COMTES FHT utilise les solutions de MTS dans son laboratoire depuis 2006. Sa première machine MTS était un système personnalisé conçu pour la simulation thermomécanique des processus de façonnage des métaux. Son deuxième système MTS était un système Bionix® spécial à haut débit doté d’un vérin principal axial/à torsion et d’un vérin latéral. Compte tenu de sa polyvalence, de sa précision et de ses performances, ce système a été utilisé pour une bonne partie de l’élaboration des méthodes d’essais de mini-échantillons. D’après Jan Džugan, « nous avons réglé, sur ce système, des essais de traction quasi statiques et dynamiques (la vitesse du vérin du système est supérieure à 1 m/s). Nous avons également effectué nos premiers essais de traction avec des appareils de chauffage par induction et des essais de fatigue oligocyclique et mégacyclique à température ambiante et élevée. Nous avons, par ailleurs, utilisé ce système pour effectuer des essais de résistance à la rupture sur des mini-échantillons. Après avoir réalisé la majeure partie du développement, nous avons acheté des machines conçues spécialement pour ces essais. »
AVANTAGES CLIENTS
Les avantages des essais sur de petites éprouvettes de matériaux fabriqués de manière additive sont évidents. Les mini-échantillons facilitent l’évaluation précise des propriétés locales. Les petites éprouvettes permettent de réduire les coûts, car ils nécessitent moins de matériau et un temps de dépôt minimal. La méthode des petites éprouvettes est également idéale lorsqu’il y a une pénurie de matériau expérimental.
Aujourd’hui, l’institut COMTES FHT est devenu un leader dans l’utilisation d’essais sur de petites éprouvettes pour les matériaux fabriqués de manière additive et se réjouit de travailler avec les systèmes d’essais MTS pour atteindre ses objectifs dans ce domaine. Jan Džugan a ajouté : « je travaille avec MTS depuis plus de 25 ans en Europe et en Asie et j’ai eu des expériences très positives, c’est pourquoi j’ai essayé d’établir une relation plus étroite avec MTS dans le domaine du développement. Nous avons déjà de très bonnes relations avec les représentants locaux actuels, ainsi qu’avec les employés de MTS à Berlin et à Minneapolis. J’apprécie beaucoup le soutien de MTS, ainsi que la stabilité et la fiabilité de ses équipements d’essais, et il me tarde de travailler prochainement avec eux. »
