Pourquoi les essais viscoélastiques suscitent-ils de plus en plus d’intérêt ?
Les voitures, les avions, les appareils médicaux et les produits de consommation utilisent de plus en plus des matériaux polymères et composites dans leurs conceptions. Avec l’utilisation croissante de composants structurels fabriqués à partir de polymères et de matériaux composites, il devient essentiel de comprendre les propriétés viscoélastiques de ces matériaux. Les élastomères et les polymères présentent un comportement visqueux important que les chercheurs et les concepteurs doivent comprendre pour s’assurer que le matériau convient à l’utilisation finale prévue.
Aujourd’hui, les outils FEA (Analyse par éléments finis) utilisent des informations sur les propriétés viscoélastiques d’un matériau pour prédire avec plus de précision les performances des conceptions contenant ces polymères ou élastomères. Par exemple, l’utilisation accrue des matériaux composites à matrice polymère (communément appelés fibres de carbone ou plastique renforcé de fibres de carbone) nécessite une analyse mécanique dynamique approfondie du composant polymère afin de prédire comment la contrainte sera partagée entre la matrice polymère et les fibres de renforcement.
Dans quelle application d’essai typique la caractérisation viscoélastique est-elle utilisée ?
La DMA (Analyse mécanique dynamique) est un moyen courant de mesurer le comportement élastique (élasticité) et visqueux (amortissement) des matériaux et des composants. Cette mesure est réalisée en soumettant l’éprouvette à une contrainte (ou déformation) cyclique contrôlée et en mesurant la force et le déplacement, ainsi que leur relation de phase.
Les essais DMA peuvent être aussi simples qu’un essai à une seule fréquence à température ambiante pour mesurer la rigidité dynamique (K*), la rigidité élastique (K’) et/ou la rigidité de perte (K”) d’un composant ou d’un matériau. La DMA peut également être très complexe avec des balayages de la fréquence d’excitation, de la contrainte, de la déformation et de la température, y compris l’imbrication de ces balayages pour utiliser une méthode d’analyse appelée Superposition temps-température (TTS). La TTS peut être utilisée pour prédire le comportement d’un matériau à des températures et à des fréquences qui ne peuvent être testées dans la pratique.
Quels défis les essais DMA posent-ils ?
Les essais DMA présentent un défi majeur, celui de savoir si les données que vous avez collectées sont exactes. Ce problème ne concerne pas uniquement les essais DMA, mais il est particulièrement difficile d’obtenir des données précises pour les matériaux viscoélastiques. La précision des données est difficile à établir, car les élastomères et les polymères sont très sensibles à de nombreux facteurs différents, notamment le procédé de fabrication, le vieillissement, la température, la composition (différents lots de matériaux), la contrainte/déformation de précharge et la contrainte/déformation cyclique. Compte tenu de ces variables, il est parfois difficile de savoir si des données inattendues sont dues à un mauvais échantillon, à un mauvais protocole d’essai ou au fait que la machine produit des résultats inexacts.
La variation des températures lors de l’analyse mécanique dynamique génère une autre série de défis. Les deux plus grands défis consistent à maintenir le système de commande (réglage) du système d’essais à mesure que les propriétés de l’éprouvette changent et à garantir que la température de l’éprouvette est homogène et conforme à la valeur attendue.
Comment les ingénieurs ont-ils relevé les défis des essais DMA par le passé ?
Les défis des essais DMA ont été relevés à des degrés divers selon le type de machine d’essai et les exigences de l’essai. L’application de l’analyse mécanique dynamique ne se limite plus à un outil de recherche chimique utilisé principalement par les scientifiques des matériaux, mais devient un outil de conception de plus en plus important utilisé par les ingénieurs. En général, les machines de DMA utilisées pour le contrôle qualité doivent juste évaluer si les propriétés de l’échantillon se situent dans une certaine plage. Certaines machines adoptent l’approche de la « boîte noire », ce qui facilite l’utilisation de la machine, mais peut masquer d’éventuels problèmes susceptibles de générer des données de DMA inexactes. Les développeurs de produits et les ingénieurs ont besoin de résultats beaucoup plus précis et exacts que ceux fournis par ce type de machine.
Comment les développeurs de produits et les ingénieurs peuvent-ils optimiser la précision des données ?
De nombreux aspects du système d’essais peuvent influencer la précision des essais. Un bon système d’essais DMA doit être très rigide pour éviter que des résonances indésirables n’influent sur les données. Il doit également être doté d’un système de commande robuste, être capable de mesurer avec précision les forces et les déplacements et posséder un logiciel puissant pour exploiter pleinement toutes ces caractéristiques.
Il est également important de valider la précision de mesure d’un système. Par exemple, chaque système d’essais MTS Acumen est testé pour répondre aux spécifications de mesure dynamique grâce à un étalon dynamique avant de sortir de l’usine. Cette vérification de la précision dynamique est effectuée à la fin de l’installation pour s’assurer que la machine produit des données précises une fois installée sur le site du client. Etant donné que chaque système de DMA Acumen inclut l’étalon dynamique par défaut, le client peut répéter la mesure de précision dynamique comme il le souhaite pour vérifier que le système produit toujours des données précises.
Outre la nécessité d’accroître la précision des mesures, dans quelle autre mesure les ingénieurs-concepteurs ont-ils eu un impact sur les exigences de l’analyse mécanique dynamique ?
Les ingénieurs qui utilisent des élastomères et des polymères dans leurs conceptions devront également connaître les propriétés de résistance et de fatigue de ces matériaux. Or, les machines dédiées uniquement à la DMA ne sont pas capables de réaliser ces types d’essais. Etant donné que les équipes de conception technique n’ont pas uniquement besoin de données DMA de leur machine d’essai, la nécessité de disposer de plusieurs systèmes ou d’un système d’essais plus polyvalent n’a fait qu’augmenter.
Y a-t-il d’autres éléments qui modifient les essais DMA ?
On note une tendance à l’augmentation de la taille des éprouvettes, sous l’effet de plusieurs facteurs. Le premier est l’utilisation croissante des matériaux composites dans les secteurs de l’automobile, de l’aérospatiale et de la construction. En outre, dans le cas des matériaux composites et des polymères chargés, il est nécessaire d’avoir des échantillons de plus grande taille pour que la section transversale des matériaux ait une structure statistiquement représentative. Enfin, les mesures des propriétés viscoélastiques peuvent être sensibles à la taille de l’éprouvette, il convient donc de tester des échantillons de matériau qui ressemblent fortement au composant destiné à l’utilisation finale.
De quelle manière la tendance à utiliser des éprouvettes plus grandes a-t-elle affecté les essais DMA ?
L’impact principal de l’augmentation de la taille des éprouvettes est qu’il faut des machines plus grandes et plus puissantes. Les anciennes machines de DMA n’étaient capables d’appliquer qu’une force de quelques livres (~30 Newtons). Les éprouvettes plus grandes peuvent nécessiter des centaines, voire des milliers de Newtons de force.
Quelles sont vos prévisions pour l’avenir concernant la caractérisation viscoélastique, et plus particulièrement les essais DMA ?
La nécessité de réaliser plusieurs types d’essais et la tendance à tester des éprouvettes plus grandes conduiront à augmenter le nombre de machines multi-usages pour les essais viscoélastiques, y compris pour les applications DMA. Cependant, tous les systèmes d’essais de matériaux ne peuvent pas être classés comme des systèmes de DMA. Certaines machines commercialisées comme étant adaptées à la DMA ignorent les exigences critiques de précision et se contentent de rapporter les résultats. Certains fabricants ajoutent simplement des calculs à une machine d’essai de fatigue et l’appellent ensuite une machine de DMA. En général, les machines multi-usages demandent énormément de compromis, mais certaines, comme le système d’essais MTS Acumen, sont équipées pour fournir des résultats précis pour les essais DMA, monotones et de fatigue, ce qui permet à un laboratoire d’essais d’atteindre un niveau de polyvalence sans précédent.
Les voitures, les avions, les appareils médicaux et les produits de consommation utilisent de plus en plus des matériaux polymères et composites dans leurs conceptions. Avec l’utilisation croissante de composants structurels fabriqués à partir de polymères et de matériaux composites, il devient essentiel de comprendre les propriétés viscoélastiques de ces matériaux. Les élastomères et les polymères présentent un comportement visqueux important que les chercheurs et les concepteurs doivent comprendre pour s’assurer que le matériau convient à l’utilisation finale prévue.
Aujourd’hui, les outils FEA (Analyse par éléments finis) utilisent des informations sur les propriétés viscoélastiques d’un matériau pour prédire avec plus de précision les performances des conceptions contenant ces polymères ou élastomères. Par exemple, l’utilisation accrue des matériaux composites à matrice polymère (communément appelés fibres de carbone ou plastique renforcé de fibres de carbone) nécessite une analyse mécanique dynamique approfondie du composant polymère afin de prédire comment la contrainte sera partagée entre la matrice polymère et les fibres de renforcement.
Dans quelle application d’essai typique la caractérisation viscoélastique est-elle utilisée ?
La DMA (Analyse mécanique dynamique) est un moyen courant de mesurer le comportement élastique (élasticité) et visqueux (amortissement) des matériaux et des composants. Cette mesure est réalisée en soumettant l’éprouvette à une contrainte (ou déformation) cyclique contrôlée et en mesurant la force et le déplacement, ainsi que leur relation de phase.
Les essais DMA peuvent être aussi simples qu’un essai à une seule fréquence à température ambiante pour mesurer la rigidité dynamique (K*), la rigidité élastique (K’) et/ou la rigidité de perte (K”) d’un composant ou d’un matériau. La DMA peut également être très complexe avec des balayages de la fréquence d’excitation, de la contrainte, de la déformation et de la température, y compris l’imbrication de ces balayages pour utiliser une méthode d’analyse appelée Superposition temps-température (TTS). La TTS peut être utilisée pour prédire le comportement d’un matériau à des températures et à des fréquences qui ne peuvent être testées dans la pratique.
Quels défis les essais DMA posent-ils ?
Les essais DMA présentent un défi majeur, celui de savoir si les données que vous avez collectées sont exactes. Ce problème ne concerne pas uniquement les essais DMA, mais il est particulièrement difficile d’obtenir des données précises pour les matériaux viscoélastiques. La précision des données est difficile à établir, car les élastomères et les polymères sont très sensibles à de nombreux facteurs différents, notamment le procédé de fabrication, le vieillissement, la température, la composition (différents lots de matériaux), la contrainte/déformation de précharge et la contrainte/déformation cyclique. Compte tenu de ces variables, il est parfois difficile de savoir si des données inattendues sont dues à un mauvais échantillon, à un mauvais protocole d’essai ou au fait que la machine produit des résultats inexacts.
La variation des températures lors de l’analyse mécanique dynamique génère une autre série de défis. Les deux plus grands défis consistent à maintenir le système de commande (réglage) du système d’essais à mesure que les propriétés de l’éprouvette changent et à garantir que la température de l’éprouvette est homogène et conforme à la valeur attendue.
Comment les ingénieurs ont-ils relevé les défis des essais DMA par le passé ?
Les défis des essais DMA ont été relevés à des degrés divers selon le type de machine d’essai et les exigences de l’essai. L’application de l’analyse mécanique dynamique ne se limite plus à un outil de recherche chimique utilisé principalement par les scientifiques des matériaux, mais devient un outil de conception de plus en plus important utilisé par les ingénieurs. En général, les machines de DMA utilisées pour le contrôle qualité doivent juste évaluer si les propriétés de l’échantillon se situent dans une certaine plage. Certaines machines adoptent l’approche de la « boîte noire », ce qui facilite l’utilisation de la machine, mais peut masquer d’éventuels problèmes susceptibles de générer des données de DMA inexactes. Les développeurs de produits et les ingénieurs ont besoin de résultats beaucoup plus précis et exacts que ceux fournis par ce type de machine.
Comment les développeurs de produits et les ingénieurs peuvent-ils optimiser la précision des données ?
De nombreux aspects du système d’essais peuvent influencer la précision des essais. Un bon système d’essais DMA doit être très rigide pour éviter que des résonances indésirables n’influent sur les données. Il doit également être doté d’un système de commande robuste, être capable de mesurer avec précision les forces et les déplacements et posséder un logiciel puissant pour exploiter pleinement toutes ces caractéristiques.
Il est également important de valider la précision de mesure d’un système. Par exemple, chaque système d’essais MTS Acumen est testé pour répondre aux spécifications de mesure dynamique grâce à un étalon dynamique avant de sortir de l’usine. Cette vérification de la précision dynamique est effectuée à la fin de l’installation pour s’assurer que la machine produit des données précises une fois installée sur le site du client. Etant donné que chaque système de DMA Acumen inclut l’étalon dynamique par défaut, le client peut répéter la mesure de précision dynamique comme il le souhaite pour vérifier que le système produit toujours des données précises.
Outre la nécessité d’accroître la précision des mesures, dans quelle autre mesure les ingénieurs-concepteurs ont-ils eu un impact sur les exigences de l’analyse mécanique dynamique ?
Les ingénieurs qui utilisent des élastomères et des polymères dans leurs conceptions devront également connaître les propriétés de résistance et de fatigue de ces matériaux. Or, les machines dédiées uniquement à la DMA ne sont pas capables de réaliser ces types d’essais. Etant donné que les équipes de conception technique n’ont pas uniquement besoin de données DMA de leur machine d’essai, la nécessité de disposer de plusieurs systèmes ou d’un système d’essais plus polyvalent n’a fait qu’augmenter.
Y a-t-il d’autres éléments qui modifient les essais DMA ?
On note une tendance à l’augmentation de la taille des éprouvettes, sous l’effet de plusieurs facteurs. Le premier est l’utilisation croissante des matériaux composites dans les secteurs de l’automobile, de l’aérospatiale et de la construction. En outre, dans le cas des matériaux composites et des polymères chargés, il est nécessaire d’avoir des échantillons de plus grande taille pour que la section transversale des matériaux ait une structure statistiquement représentative. Enfin, les mesures des propriétés viscoélastiques peuvent être sensibles à la taille de l’éprouvette, il convient donc de tester des échantillons de matériau qui ressemblent fortement au composant destiné à l’utilisation finale.
De quelle manière la tendance à utiliser des éprouvettes plus grandes a-t-elle affecté les essais DMA ?
L’impact principal de l’augmentation de la taille des éprouvettes est qu’il faut des machines plus grandes et plus puissantes. Les anciennes machines de DMA n’étaient capables d’appliquer qu’une force de quelques livres (~30 Newtons). Les éprouvettes plus grandes peuvent nécessiter des centaines, voire des milliers de Newtons de force.
Quelles sont vos prévisions pour l’avenir concernant la caractérisation viscoélastique, et plus particulièrement les essais DMA ?
La nécessité de réaliser plusieurs types d’essais et la tendance à tester des éprouvettes plus grandes conduiront à augmenter le nombre de machines multi-usages pour les essais viscoélastiques, y compris pour les applications DMA. Cependant, tous les systèmes d’essais de matériaux ne peuvent pas être classés comme des systèmes de DMA. Certaines machines commercialisées comme étant adaptées à la DMA ignorent les exigences critiques de précision et se contentent de rapporter les résultats. Certains fabricants ajoutent simplement des calculs à une machine d’essai de fatigue et l’appellent ensuite une machine de DMA. En général, les machines multi-usages demandent énormément de compromis, mais certaines, comme le système d’essais MTS Acumen, sont équipées pour fournir des résultats précis pour les essais DMA, monotones et de fatigue, ce qui permet à un laboratoire d’essais d’atteindre un niveau de polyvalence sans précédent.
