Des ingénieurs des États-Unis et du Brésil approfondissent la complexité des propriétés mécaniques de l’impression 3D, exposant leurs conclusions dans le récentUne méthodologie très précise pour la prédiction et la corrélation des propriétés mécaniques basée sur le rapport de minceur des éprouvettes de traction fabriquées de manière additive. »

L’impression 3D et les processus de fabrication additive continuent d’avoir des impacts significatifs dans un large éventail d’industries à travers le monde; Cependant, plus les utilisateurs commencent à s’appuyer sur une telle technologie et à se développer en ce qui concerne l’innovation et les exigences du projet, une attention particulière est accordée aux propriétés mécaniques, que ce soit en ce qui concerne les polymères à mémoire de forme, les matériaux composites ou les effets de détails tels que l’orientation de la construction. Les auteurs soulignent que les industries comme la médecine, l’aérospatiale, l’automobile et bien plus sont structurées avec des réglementations strictes, laissant peu de place à l’erreur dans les applications critiques.

Comme des comités et des normes au sein des processus AM sont requis, des efforts spécifiques sont désormais orientés vers:

  • Classification des nouvelles lignes directrices
  • Création de formats de fichiers pour la production de pièces
  • Élaboration de critères pour les rapports techniques
  • Exigences générales pour les matières premières

Cependant, il existe encore des domaines où les normes requises manquent, comme la caractérisation mécanique des pièces. Les chercheurs se concentrent sur les nouveaux alliages populaires utilisés tels que le Ti – 6Al – 4, maintenant utilisé dans une variété de méthodes AM, pour inclure des processus hybrides. Les tests de traction peuvent être utilisés pour évaluer:

  • Limite élastique (YS)
  • Résistance à la traction ultime (UTS)
  • Module élastique €
  • Allongement uniforme (Elu)
  • Allongement à la rupture (Elfe)
  • Module de résilience (Ur)
  • Résistance à la traction (Ut)
  • Réduction de surface (RA)

Les auteurs rapportent que les échantillons de Ti – 6Al – 4V offraient une variété de valeurs de propriétés mécaniques, comme suit.

  • PBF avec faisceau laser – valeurs YS comprises entre 684,3 et 1320,0 MPa, UTS de 480,5 à 1420,0 MPa et Elf de 1,0 à 24,0%.
  • Spécimens DED – propriétés de traction de YS de 522,0 à 1105,0 MPa, UTS de 716,0 à 1163,0 MPa et Elf de 1,4 à 18,7%.
  • Procédé WAAM – propriétés mécaniques de YS 800 à 884 MPa, UTS de 887 à 995 MPa et Elf de 0,5 à 16,5%.
  • Fusion par faisceau d’électrons (EBM) – valeurs de YS, UTS et Elf allant de 460 à 1150 MPa, 480 à 1200 MPa et 1,5 à 25,0%, respectivement.

« L’un des paramètres les plus importants dans la géométrie des éprouvettes de traction qui interfère directement avec la façon dont Elf est mesuré et qui est souvent négligé par divers chercheurs est le rapport de minceur », ont déclaré les chercheurs.

D’autres études ont été réalisées, en mettant l’accent sur les effets du rapport de minceur dans les échantillons de traction; cependant, les chercheurs ont noté à la fois «disparité et manque de consensus» dans les données de la littérature précédente, les laissant créer une nouvelle technique pour prédire les propriétés mécaniques.

Les auteurs ont créé plusieurs éprouvettes de traction Ti – 6Al – 4V ELI (extra-faible interstitielle) pour l’étude. Quatre échantillons ont été prélevés pour chaque rapport de minceur nominal, affichant des longueurs de calibre variables, avec des sections transversales à surface réduite.

Les échantillons ont été fabriqués en un seul lot EBM, avec l’axe symétrique longitudinal parallèle à la plate-forme de construction, dans la direction du bras de râteau de poudre. Les structures de support ont été soit fraisées en sections carrées / rectangulaires, soit tournées en sections transversales circulaires.

Composition chimique (% en poids) de la poudre ELI Ti – 6Al – 4V (ASTM F3001 [55]) déterminé à partir des normes ASTM: E1941 [56], E1409 [57], E1447 [58]et E2371 [59]

L’analyse par éléments finis (FEA) a été achevée et un critère d’endommagement ductile a également été établi, permettant de prévoir «l’apparition des dommages dus à la nucléation, à la croissance et à la coalescence des vides»

Caractérisation microstructurale des pièces ELI Ti – 6Al – 4V telles que construites par fabrication additive (AM) par EBM. Images VLM (a, c) et SEM-SEI (b, d) de la vue de dessus (a, b) et de la direction de construction (c, d), respectivement. Cartes EBSD présentant IPF le long de la direction de construction (e) et des angles d’Euler (f).

a Courbes d’ingénierie et de déformation représentatives obtenues à partir d’essais de traction des éprouvettes à l’état de construction. La notation de la section transversale signifie les dimensions nominales initiales de la section réduite de l’éprouvette et L0, la longueur initiale de la jauge avant l’essai. b Image macroscopique représentative des éprouvettes de traction après les essais (dimensions en mm).

Douze échantillons différents ont été testés alors que les auteurs ont étudié comment le rapport de minceur, k, affecte les propriétés mécaniques obtenues à partir des courbes de contrainte en fonction de la déformation.

« Cet ensemble concis d’échantillons montre à quel point il est difficile d’analyser et de comparer les données expérimentales des essais de traction avec différentes géométries », ont déclaré les chercheurs. « Etant donné que l’une des propriétés mécaniques les plus importantes utilisées pour vérifier la qualité des pièces de construction est l’allongement, la dispersion des données rend cette analyse très compliquée. »

Données expérimentales et bibliographiques moyennes de l’allongement à la rupture Elf obtenues à partir d’essais de traction et rapport en fonction du rapport de minceur k. Les lignes horizontales en pointillés correspondent aux valeurs d’allongement minimum pour les produits tels que construits * et traités thermiquement ** (par exemple, soulagement des contraintes, recuit ou HIP) selon les normes AM. Spécimens EL – Ti – 6Al – 4V.

En examinant les propriétés de résistance YS et UTS, les chercheurs ont noté une résistance mécanique supérieure dans les échantillons symétriques.

Spécimens de traction FE avec des sections asymétriques (a – h) et symétriques (i – p). Les profils de contrainte de contrainte et de déformation logarithmique de Von Mises se situent immédiatement avant et au rendement, à la charge maximale et à la rupture. Chaque élément correspond à un ensemble de trois images qui correspondent à une vue d’ensemble, une image détaillée et une vue en coupe longitudinale de l’image détaillée (de gauche à droite).

Fractographies représentatives à faible grossissement et SEM-SEI des différents échantillons en coupe transversale après des essais de traction. a – d Ø 10 mm, e – h 6 9 6 mm et i – l 6 9 3 mm. Les bordures de couleur des images b – d, f – h et j – l correspondent au SEM-SEI des régions mises en évidence par des marques rectangulaires (centre rouge, bords bleus et interface jaune entre elles) dans les images de surface de fracture (a , e, i)

« Les échantillons de section transversale circulaire et carrée ont montré une résistance mécanique supérieure avec un comportement mécanique similaire aux pièces à haute contrainte-triaxialité soumises à des tests de traction », ont conclu les chercheurs. « Un état de contrainte initiale diffuse complexe favorise le rendement tandis que la distribution symétrique des déformations radiales favorise une triaxialité accrue des contraintes et, par conséquent, contraint la déformation plastique et augmente la charge maximale. »

«Le mode de fracture et les micro-mécanismes de fracture sont fortement influencés par le rapport largeur / épaisseur. Les échantillons symétriques montraient des fractures ductiles en cupule et en cône et des zones de transition marquées pouvaient être observées à la surface. La région centrale de l’échantillon a échoué en raison de la nucléation et de la croissance des vides dans le sens de la traction, tandis que la périphérie présentait des fossettes allongées dans le sens d’une contrainte de cisaillement plus élevée. Dans les échantillons très minces, la condition de contrainte plane s’applique et aucune zone de transition n’a été observée avec la lèvre de cisaillement comme mécanisme de rupture prédominant. »

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manuboss