6 propriétés mécaniques à étudier pour choisir un matériau pour le prototypage
Les matières plastiques sont des matériaux complexes, et de nombreuses caractéristiques sont à prendre en compte pour choisir celui qui convient le mieux à votre application. Avec l’avènement des technologies d’impression 3D dites “de bureau”, de plus en plus d’ingénieurs sont confrontés à toute une variété de polymères, et il est important qu’ils aient une connaissance de base de leurs propriétés mécaniques afin de décider de celui le meilleur pour les exigences des projets entrepris.
Dans cet article, nous présentons les six propriétés mécaniques essentielles à prendre en compte pour choisir entre différents matériaux et décider quelle est la résine technique Formlabs la mieux adaptée à votre projet.
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Module d’élasticité : Quelle est la rigidité de ce matériau ?
Le module d’élasticité (ou module de flexion) représente la résistance du matériau à une déformation élastique sous contrainte.
Le module de flexion est la caractéristique la plus pertinente pour les matières plastiques : il mesure la rigidité du matériau ou sa tendance à se plier. La force nécessaire pour plier un matériau très rigide sera beaucoup plus élevée que pour un matériau souple. Un module de flexion élevé caractérisera un matériau plus rigide, comme le diamant par exemple, alors qu’un matériau élastique, comme le caoutchouc, aura un module de flexion bas.
Le module de flexion et le module de traction (ou module de Young) sont étroitement liés et diffèrent généralement peu. Le module de cisaillement, quant à lui, décrit la réponse du matériau à une contrainte de coupe, comparable à celle de ciseaux émoussés
La résine Formlabs qui présente le plus haut module de flexion est la résine Rigide. Dans les résines disposant d’une grande rigidité, on compte également la résine Classique et la résine Grey Pro. Le module de Young de la Résine Haute résistance est relativement bas par rapport à ceux des autres résines Formlabs.
Allongement : Ce matériau va-t-il se plier et s’étirer ?
L’allongement est la résistance à la rupture du matériau lorsqu’il est étiré.
L’allongement indique de combien le matériau peut être étiré sans se rompre ou se craqueler. Les matériaux rigides, comme les plastiques durs et cassants, présentent normalement une faible allongement avant rupture, alors que les matériaux élastiques peuvent s’étirer de plusieurs fois leur longueur avant de se rompre. Un allongement élevé est particulièrement important pour des pièces d’emballage qui doivent se plier, comme un tube de dentifrice par exemple.
Les matériaux ductiles, comme la plupart des caoutchoucs, présentent un allongement élevé, alors que les matériaux cassants, comme les verres et les céramiques, présentent plutôt un allongement faible, parce qu’ils ne se déforment pas plastiquement.
Les résines Formlabs dont les valeurs d’allongement sont les plus hautes sont la résine Durable et la résine Haute résistance.
Robustesse : Le matériau absorbe-t-il les chocs ?
La robustesse est la capacité du matériau à absorber les chocs et l’énergie d’impact sans se rompre.
La résistance aux chocs, appelée parfois robustesse fait référence à la capacité du matériau à répondre à de brusques impacts. Un matériau de haute robustesse, comme les polycarbonates ou le nylon, peut absorber de l’énergie et se déformer plastiquement avant de rompre. En d’autres termes, un objet en matériau très résistant aux chocs peut tomber sur le sol sans se casser.
La « robustesse » ou résistance aux chocs n’est pas identique à la rigidité. D’autres matériaux plus souples peuvent présenter des valeurs élevées d’absorption des chocs brutaux.
La résine Formlabs qui présente la plus haute résistance aux chocs est la résine Durable. Les autres résines à grande résistance aux chocs sont notamment la résine Haute résistance et la résine Grise Pro.
Résistance à la traction : Le matériau soumis à une traction se rompt-il ?
La résistance à la traction est la résistance du matériau à la rupture lorsqu’il est soumis à une force de traction.
Un matériau à forte résistance à la traction ne se rompt pas facilement lorsqu’il est soumis à une force de traction. La résistance de rupture en traction représente la contrainte maximale que le matériau peut supporter lorsqu’il est étiré avant de rompre. Le carbone, le verre et l’acier sont par exemple des matériaux de haute résistance à la traction.
Lorsque cette limite est atteinte, la rupture des matériaux cassants est très nette, sans déformation plastique, au contraire des matériaux plus ductiles, qui se déforment avant de se casser.
Les progrès de l’impression 3D font qu’il existe actuellement des résines présentant des résistances à la traction comparables à celles de matières plastiques telles que le polypropylène et l’ABS, utilisées en moulage par injection.
La résine Formlabs qui présente la plus haute résistance à la traction est la résine Rigid. Les autres résines présentant une grande résistance à la traction sont notamment la résine Classique, la résine Grey Pro Pro et la résine Haute résistance
Température de fléchissement sous charge : Le matériau résiste-t-il à la chaleur ?
Température de fléchissement sous charge (TFC) est la température à laquelle le matériau se déforme sous une charge donnée.
La température de fléchissement sous charge (TFC) indique si le matériau convient à des applications à haute température. Cette température (mesurée en °C) est celle à laquelle un échantillon se déforme lorsqu’il est soumis à une charge donnée (mesurée en MPa).
Une TFC élevée convient notamment pour des boîtiers ou des supports d’éléments chauffants, ou encore des pièces qui entrent en contact avec des liquides ou des gaz à haute température, comme dans le cas de moulage à injection, pour les raccords, vannes et buses pour circuits de fluides.
La résine Formlabs qui présente la plus haute température de fléchissement sous charge (TFC) est la résine Haute température. La résine Rigid présente également une TFC élevée.
Fluage : Le matériau se déforme-t-il au cours du temps sous contrainte ?
Le fluage est la tendance d’un matériau à se modifier lentement ou se déformer définitivement lorsqu’il est soumis à une contrainte mécanique.
Le fluage est la tendance d’un matériau à se déformer lentement lorsqu’il est soumis longtemps à une contrainte. Un matériau à fluage élevé a plus tendance à se déformer qu’un matériau à fluage bas. Le fluage diffère des autres propriétés par le fait qu’il est mesuré sur une période longue. Le fluage dépend de la durée, de la contrainte et de la température.
Choisir un matériau à fluage faible est important pour des pièces qui devront supporter des températures ou des contraintes élevées et garder leur forme au cours du temps, comme c’est le cas pour des pièces portantes ou celles qui ont une fonction répétitive, comme une pale de turbine.
Les résines Formlabs qui présentent le fluage le plus faible sont la résine Rigid et la résine Grey Pro.
Une approche globale
En pratique, les concepteurs n’optimisent pas les pièces en matières plastiques en fonction d’une seule propriété. Leurs décisions sont le résultat d’un compromis entre de multiples propriétés, fondé sur leur expérience, des simulations sur ordinateur et d’autres points de références.
Il est possible d’approfondir ses connaissances des différents matériaux et leurs points forts en se référant à des guides comme celui-ci, mais l’expérience pratique est tout aussi importante. Il faut essayer les différents matériaux et voir comment ils se comportent. Vous pouvez aussi observer les matériaux dont sont faits les objets usuels et en examiner les propriétés mécaniques. Quelles sont les propriétés des pièces à prendre en compte en fonction de leur utilisation ?
Voici quelques exemples pratiques de pièces fabriquées avec des résines techniques Formlabs :
Les emballages de produits tels que les nettoyants ménagers ou les flacons de shampooing doivent présenter un allongement suffisant pour se plier dans les mains de l’utilisateur tout en retrouvant leur forme originale, ainsi qu’une résistance aux chocs suffisante pour ne pas se casser en cas de chute. Pour ce prototype, nous avons choisi la résine Durable.
Un support (comme celui de l’écran d’un poste d’ordinateur) requiert une certaine rigidité, soit un module de flexion élevé. Il est également important de choisir un matériau présentant un fluage faible, afin qu’il ne se déforme pas peu à peu au cours du temps. La résine Grey Pro convient parfaitement dans ce cas.
Un ventilateur requiert des structures fines et solides. Le module de Young élevé de la résine Rigid ne garantit pas seulement la solidité des pièces après impression. Un « module vert » élevé, ou module avant la phase de cuisson UV rend possible l’impression de pièces très fines avec précision et moins de risques d’erreur. Des valeurs élevées de résistance aux chocs et de température de fléchissement sous charge, combinées à un fluage faible, se traduiront par la stabilité du prototype dans ses conditions de fonctionnement.
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