Méthodes de mesure de la ténacité

Les matériaux pour l'impression 3D sacrifient souvent les propriétés mécaniques au profit de l'imprimabilité par rapport à leurs homologues extrudés et moulés par injection. 

Pour l'impression par dépôt de fil fondu (FDM), le matériau standard est le PLA, dont la ténacité est médiocre. Le PETP, l'ABS, l'ASA et le PC offrent une ténacité supérieure à celle du PLA, mais pour que ces matériaux soient bien imprimés, ils doivent avoir un poids moléculaire plus faible, des copolymères ou d'autres composants qui réduisent les performances des pièces finales par rapport aux polymères moulés ou extrudés. 

La stéréolithographie (SLA) est également connue pour l'utilisation de plastiques fragiles, la plupart des résines acryliques standard ayant une ténacité relativement faible. Au fil du temps, des matériaux plus tenaces ont été introduits, comme les résines Formlabs Tough 1500 Resin et Tough 2000 Resin. Bien que ces matériaux soient nettement plus tenaces que la plupart des matériaux acryliques standards, ils restent en deçà de la plupart des polymères thermoplastiques en termes de ténacité. 

Le procédé d'impression qui permet d'utiliser les matériaux les plus tenaces est le frittage sélectif par laser (SLS). La poudre par défaut, Nylon 12 Powder, est beaucoup plus tenace que le PLA ou la plupart des résines acryliques, et des options encore plus tenaces comme Nylon 11 Power permettent de créer des pièces incroyablement tenaces. Ces matériaux n'ont pas besoin d'être modifiés pour être imprimés, comme c'est le cas pour les matériaux FDM. En outre, le SLS présente une bien meilleure isotropie pour présenter une bonne ténacité dans tous les axes.

Face à la variété des formulations disponibles, il est essentiel de mesurer la ténacité des matériaux d'impression 3D pour évaluer quantitativement leur adéquation aux applications plus exigeantes, au-delà du simple prototypage.

La ténacité est la capacité d'un matériau à absorber l'énergie et à se déformer plastiquement sans se fracturer, mais il existe plusieurs façons de quantifier la ténacité.

L'une des méthodes consiste à effectuer un essai de traction tel que celui de la norme ASTM D638, dans lequel un échantillon est tiré par deux pinces. La force sur la section transversale de la pièce, ou contrainte, peut être tracée par rapport à l'allongement, ou déformation. Le travail est le produit scalaire de la force et de la distance. En prenant l'intégrale pour calculer l'aire sous la courbe de contrainte-déformation, il est possible de déterminer l'énergie absorbée avant la rupture.

Cette façon particulière de mesurer la ténacité est souvent appelée « ténacité à la traction ». Bien qu'elle soit utile pour simplifier la compréhension du concept de ténacité, elle n'est généralement pas mesurée ou indiquée, ce qui rend plus difficile la comparaison quantitative des valeurs de ténacité. De plus, elle est rarement mentionnée dans les fiches techniques des matériaux (TDS).

L'allongement à la rupture est parfois utilisé comme substitut de la ténacité. Lorsque des matériaux ont une résistance à la rupture par traction similaire, il s'agit d'une approximation raisonnable de la zone sous-jacente à la courbe de tension-déformation. Cette approximation est moins utile lorsqu'il s'agit de comparer des matériaux dont les résistances à la rupture par traction sont très différentes. L'allongement à rupture est en soi une mesure de la ductilité et non de la ténacité.

*Densetec extrusion grade homopolymer samples were obtained from McMaster-Carr (Item # 8742K129) and tested internally by Formlabs under identical conditions as the printed resin samples.

Le test de résistance aux chocs Izod avec entaille est le moyen le plus courant de réduire la ténacité à un seul chiffre dans un test simple et facile à répéter. Dans ce test, un marteau sur un pendule frappe une pièce ; après l'impact, la hauteur du marteau est mesurée. La différence entre la position de départ et la position finale du marteau représente une différence d'énergie potentielle gravitationnelle, et cette différence correspond à l'énergie absorbée lors de l'impact avec l'échantillon d'essai. Cette valeur énergétique est généralement divisée par la longueur ou la surface de l'échantillon d'essai, ce qui nous donne une valeur en J/m ou J/m².

Le test de résistance aux chocs Charpy est similaire, mais avec une configuration légèrement différente, et est utilisé plus couramment avec les métaux. Les deux tests peuvent être effectués avec ou sans entaille. Dans la première variante, une petite entaille est pratiquée sur la pièce, qui sert de point de rupture initial. Formlabs utilise la norme ASTM D256-10 pour l'évaluation de ses matériaux.

Bien que la résistance aux chocs Izod soit plus couramment indiquée car il est facile et rapide d'obtenir une valeur quantitative, elle est testée sur un échantillon épais (~12 mm), qui n'est souvent pas représentatif des géométries utilisées dans les pièces en plastique.

La résistance aux chocs Gardner (ASTM D4226) est un meilleur test pour mesurer la ténacité à l'impact d'une feuille de matériau plus mince. Le test utilise un poids lâché pour percuter un échantillon mince, qui est ensuite examiné pour voir si le piston a pénétré dans l'échantillon. Le résultat est exprimé soit en termes de hauteur maximale atteinte avant l'échec, soit en termes d'énergie maximale absorbée. 

Étant donné que la géométrie de l'échantillon est plus représentative de celle des pièces en plastique couramment utilisées, le test de résistance aux chocs Gardner est une mesure plus indicative des performances sur le terrain. Les ingénieurs en matériaux Formlabs ont donc optimisé la formulation de Tough 1500 Resin V2 pour obtenir de meilleures performances dans ce domaine.

Les plastiques se comportent différemment selon la vitesse à laquelle les charges sont appliquées. Dans les tests d'impact, la charge est appliquée très rapidement, mais sur le terrain, les matériaux doivent absorber de l'énergie même lorsque les forces sont appliquées plus progressivement.

Une façon d'évaluer la ténacité à des taux de déformation inférieurs consiste à mesurer la ténacité à la rupture.

Cette mesure peut être exprimée par une valeur appelée K_C, qui est le facteur critique d'effort pour qu'une fissure se propage et provoque une fracture fragile, ou W_f, qui est le travail (ou l'énergie) nécessaire pour propager une fissure à travers le matériau.

La ténacité à la rupture est l'une des mesures les plus importantes de la ténacité, car elle représente la résistance à la rupture fragile sous la plupart des charges non d'impact.

Les fissures et les fractures peuvent également se produire au fil du temps, plutôt que lors de l'application d'une charge comme dans le cas de la ténacité à la rupture. La propagation progressive d'une fissure sous l'effet de charges répétées est appelée fatigue.

Pour mesurer les propriétés de résistance à la fatigue des plastiques, on utilise généralement le test de flexion Ross (ASTMD1052), dans lequel des échantillons en forme de barre sont pliés des milliers de fois.