Etude sur le taux de remplissage.

[Kymaro]

Bonjour, dans le cadre de mes études j'ai décider de réaliser des compression d'éprouvettes de PLA imprimées en 3D pour savoir s'il y avait un taux de remplissage privilégié. J'ai voulue vous partager mes résultats, le sujet est un peu long mais j'espère qui vous intéressera .

Pour réaliser cette expérience je suis allé dans un laboratoire de recherche sur les matériaux :

Le but était de déterminer s'il y avait un taux de remplissage limite au-delà duquel il n'était pas rentable de remplir plus les pièces imprimées.

Pour ça, comme j'avais pas forcément énormément de temps sur la machine, j'ai testé 4 taux de remplissage différent à partir d'une géométrie hexagonale : 10% / 30% / 50% / 70%

(coupe transversale)

 

Comme on peut le voir sur les coupes, l'échantillon a 10% n'a pas beaucoup de contact avec la surface latérale (périphérie) et cela se traduit qualitativement par une rupture non linéaire de cette surface latérale assez rapidement et une perte total des propriétées mécanique après rupture.

Tandis que pour les autres taux de remplissage (30% , 50% et 70%) , la surface latérale reste intact même après rupture et donc toutes la matière interne se condense / se tasse à l'interieur de l'éprouvette, subissant une déformation uniquement selon la hauteur. Le diamètre de l'éprouvette reste inchangé. ==> on a une conservation des propriétées mécanique même après rupture.

 

Cela se confirme par les courbes ci-dessous, avec le module d'Young (E) déterminé par un calcul de pente lors de la première phase de contrainte, la phase d'élasticité.

courbes de contrainte (1courbe = 1 éhantillon)

Que nous disent les courbes ?

 

1. cela confirme nos observations qualitative. En effet, les courbes pour 30,50 et 70% on exactement la même allure, seul leur pente et donc leur module d'Young diffère.
2. On remarque pour ces courbes que, après rupture de la courbe (donc de nos échantillons), on conserve une pente croissante qui confirme également une conservation des propriétées mécaniques après rupture, puisque cela montre que l'échantillon montre encore une résistance face à la machine.
3. Les observations pour 10% sont également confirmé par ces courbes puisque l'ont voit que les courbes font un peu chacune leur vie après une chute nette de contrainte ce qui montre la perte des propriétées mécaniques.
4. Les courbes nous révèle en plus l'aspect aléatoire de la rupture pour les échantillons à 10% puisque l'on peut voir le point de rupture se fait jamais au même point de déformation alors que pour les autre taux de remplissage, les courbes sont très similaire. Pour l'anecdote, le technicien du laboratoire m'a confirmé n'avoir jamais vu des courbes aussi rapproché pour différent échantillons.  On a donc une régularité des propriétées mécanique à partir de 30%, alors que pour 10%, la résistance est incertaine, et on aime pas vraiment ça !

 

Que révèle alors le module d'Young noté E sur les courbes ?

 

En physique, le module d'Young est déterminer par une relation de proportionalité, appelé loi de Hooke :

 

où :

•   est la contrainte, exprimé en MegaPascal (MPa) , c'est à dire la force appliqué à l'échantillon par rapport à sa surface.  (rapport Force / Surface)
•   est la déformation, exprimé en %, rapport de la différence de hauteur engendré par l'expérience sur la hauteur initiale ()
•   est le module d'Young, exprimé en MegaPascal (MPa) est une grandeur caractéristique des matériaux / échantillon testé.

Comme le module d'Young n'est pas forcément très parlant à tout le monde, je vais vous donner un équivalent du poids nécessaire qu'il aurait fallu pour arriver à une rupture :

• 10% : 290 kg
• 30% : 940 kg
• 50% : 1670 kg
• 70% : 2600 kg 

Si je vous donnais l'équivalent en twingo, votre première remarque serait : Merde, c'est que du plastique !

 

Vous vous souvenez du but de l'expérience ? On voulait déterminer s'il y avait un taux de remplissage au-delà duquel il était pas rentable de remplir plus, il faut donc tracer là courbe qui exprime le module d'Young en fonction du taux de remplissage, à partir des 4 valeur que l'on à ici  et essayer de voir si on peut remarquer si la courbe admet une rupture de pente notable.

Et bien il se trouve que l'on obtient une courbe parfaitement linéaire, on peut supposer que l'on obtiendra éventuellement une rupture de pente au delà de 70% mais bon, 70% c'est déjà beaucoup.

 

Donc quelles sont les conclusion de tout ça ?

Au final, 10% est à proscrire ( si la pièce est soumise à une contrainte de compression plus ou moins importante, au quotidien pour des pièces quelconque, 10% peut amplement suffir) puisque on arrive à une rupture qui détruit totalement la pièce. On peut alors recommander 30% pour avoir des propriétées mécaniques régulière et qui peut encaisser une déformation sans forcément détruire le système. En revanche, sauf nécessité mécanique, il n'est pas nécessaire d'aller au delà, vous connaisez tous les contraintes en terme de temps d'impression et de coût en matière que cela engendre de monter à 50 ou 70%

Cependant, il aurait été intéressant de réaliser de nouveau test entre 10% et 30% pour voir jusqu'où on pouvait descendre pour obtenir des résultats similaire. J'ai fait une machine pour des essaie de compression pour d'autres expériences lié à ces travaux, j'essaierais de le faire si j'ai du temps à perdre cet été .

 

Voilà, j'espère que cela aura été intéressant, encore une fois je précise que les résultats obtenue sont par rapport à des pièces qui serait soumise à des contraintes, je ne dis pas qu'il faut bannir le remplissage à 10% pour tout type d'impression.

[nicephore]

Super.

Et ça donnerais quoi sur une contrainte de flexion ?

Et en comparaison avec l'ABS ça donne quoi ?

[Skidouille]

Super comme info , ca donne une idée des ordres de grandeur que le pla peut encaisser en compression le truc qui serait genial c'est d'avoir le meme en traction (mais j en demande peut-etre bcp )

[Phoenix]

Merci pour le partage de  cette intéressante étude qui nous concerne tous.

[Morpheus]

Salut, 

super partage, je suis donc tranquille avec mes 40% que je mettais je pense descendre à  30. 

Merci 

Philippe 

[Orange]

Très intéressant.

Si tu as du temps, peux tu tester la même chose avec un remplissage rectilinear (Slic3r)?

Le remplissage en Honeycomb est plus long a imprimer et utilise plus de filament. Il serait intéressant de connaitre le gain a gagner entre les 2.

Merci en tout cas pour ce super rapport

[Kymaro]

Comme je disais, j'avais pas forcément beaucoup de temps qui m'était alloué aux machines donc j'ai fait le maximum.

Pour ce qui est d'autre type de contrainte, je ne saurais pas dire, les machines sont différentes à chaque fois et la compression était le plus simple à mettre en oeuvre pour moi, pour une machine homemade pour le reste de mes travaux. (des études sur flexion / traction / cisaillement pourrait aussi être intéressant)

Sinon comparer avec de l'ABS apporterait aussi des résultat intéressant, mais dans ces cas là, c'est les propriété de la matière qui influeront et non plus le taux de remplissage, il me semble que l'ABS à un module d'Young supérieur au PLA donc offrira une meilleur résistance.

[nicephore]

L'ABS vs PLA est effectivement un test intéressant mais pas seulement en compression.

D'après les essais  (sur un bras pour un multi-rotor) que j'ai déjà fait en flexion (ou torsion) l'ABS vas mieux résister mais fissurer, le PLA lui sera cassant mais pliera plus tardivement. Mes petit moyen ne m'ont pas permis de déterminer une courbe des forces nécessaire à la rupture.

[Kymaro]

D'accord, c'est bon à savoir, moi j'ai également réaliser des test par rapport aux géométries, Concentrique , hexagonale, rectiligne.;

Leur résistance à la compression ne diffère pas vraiment (j'ai fait les test moi même avec un étau relié à une cellule de force et j'ai récolté toutes les données par une carte arduino ) mais la structure concentrique aura tendance à éclater du fait que les différents cercle n'ont aucune consolidation entre eux

 

L'anneau périphérique de la structure concentrique a complètement éclaté :

Pour de la compression , le remplissage rectiligne et hexagonal (honeycomb) auront les même propriétées, en revanche, je pense que l'hexagonal offrira de meilleur résultats sur d'autres type de contrainte comme le ciscaillement. La structure hexagonale est celle utilisé pour les structure alvéolaire pour ça justement, on a une meilleur élasticité.

Modifié (le) Juillet 4, 2016 par Kymaro

[azbloc]

excellent, ça permet de comprendre beaucoup de choses, merci!

[filament-abs.fr]

Très intéressant, cependant les schémas de remplissage sont loin d'être optimisés surtout pour les faibles taux de remplissage (des zones de vide énormes!).

Avec une grille plus fine et la même quantité de plastique, la résistance change du tout au tout. 

[tyssoon]

De ce que j'en sais, les efforts s'appliquent sur la "peau" d'un modèle et diminue j'usqu'a etre nul à la fibre nulle. Du coup le remplisage interessant serait un remplissage dynamique, dense sur le pourtout jusqu'a disparaitre au centre.

Superbe paint:

[Orange]

ah oui super paint! On voit même les défauts d'impression avant d'imprimer

[JeandesBiolles]

Il n'y a pas un vendeur / fabricant de filament qui veux se lancer dans des essais? p)

Cela serait très utile pour optimiser le remplissage et la matériel selon les contraintes auquel sera soumis la pièce imprimée.

En tous cas merci à kimaro de partager!

[nicephore]

tous comme @JeandesBiollesje vais saluer les travaux et le partage de @Kymaro

[xyz]

cura ne gère pas le honeycomb ?

[oscar2000]

je découvre le sujet et je le relance.

c'est une très bonne idée d'avoir fait ce travail et il faudrait le poursuivre avec les pistes suivantes :

certains ont demandé des tests avec de la flexion, de la traction... et ils ont raison, notre matériaux de plastique extrudé n'est pas du tout isotrope, il serait plutôt orthotrope.

un matériaux isotrope, comme un métal se caractérise par son module d'young et sa contrainte admissible.

un matériaux orthotrope, comme le bois se caractérise par plusieurs modules d'young et plusieurs contraintes admissibles, selon plusieurs axes

on peut même dire que si l'on créé des éprouvettes d'essai sous forme de pavés rectangulaires, les essais à la traction, à la flexion, à la compression, au cisaillement... ne donneront pas les mêmes résultats selon que les éprouvettes seront produites couchées ou debout.

par ailleurs, le fait que la courbe du module d'young soit quasiment linéaire en fonction du taux de remplissage me parait très intuitif, c'est le résultat que j'aurais attendu. encore fallait il avoir eu l'idée de chercher ce résultat. merci pour ça, donc. je pense que le taux de remplissage est le facteur essentiel qui influence le module d'young, beaucoup plus que la forme du remplissage (quadrillage, nid d'abeille...) à l'exception bien sûr des cercles concentriques qui n'ont pas de liaison entre eux, où là c'est un problème de flambage qui doit intervenir (ou de voilement, puisque l'on parle de surfaces...)

sujet d'étude à poursuivre.

[Tircown]

Merci pour ce (petit) déterrage de topic que j'avais loupé.

C'est déjà un super boulot que tu as fait Kymaro. J'ai une petite question: as-tu fait quelque chose sur les surfaces en contacts avec la machine pour répartir la contrainte?

Si tu as du mal à accéder à une machine à essais pour poursuivre ta démarche, je me souviens qu'il y en avait une à mon IUT, elle était très loin d'être utilisée en permanence. Tu peux éventuellement te rapprocher des IUT/Ecole d'ing qui sont parfois équipées.

[Mach1]

Super intéressant !

Merci

[jm concept]

bonjour

merci beaucoup pour partager ton étude

merci beaucoup

[oscar2000]

je me suis convaincu de faire aussi une étude dans le même style : tester des éprouvettes de 1 cm2 de section et de 12 cm de long :

je vais tester de l'abs, avec différents taux de remplissage, différentes températures d'impression, différentes vitesses, différentes épaisseurs de couches, et différentes orientations de l'orthotropie... donc des dizaines et des dizaines de mesures...

on remarque sur la photo les petites protubérances à 1 cm des extrémités et sur la face opposée au milieu. c'est pour tester en flexion mes éprouvettes sur 10 cm de long avec callée au milieu une bouteille d'eau de 10 litres que je suspendrai au milieu avec une ficelle et que je remplirai petit à petit jusqu'à la rupture.

un petit coup de PL/4 et j'aurai la contrainte admissible

[oscar2000]

mon projet avance lentement.

j'en suis à la fabrication des éprouvettes.

pour l'instant, je fais varier le taux de remplissage, par groupe de 6 éprouvettes, pour tenir compte de l'orthotropie dans les différentes directions. j'ai rempli avec le paramètre fixé à 15 %, 20 %, 25 %, 35 % et 50 %.

j'ai pesé mes éprouvettes à l'aide d'un pèse lettres et j'obtiens pour masses volumiques respectivement les valeurs suivantes (à +/- 0,02 g/cm3) :

0,51 g/cm3, 0,57 g/cm3, 0,62 g/cm3, 0,68 g/cm3 et 0,72 g/cm3 (pour une masse volumique de l'abs de 1,05 g/cm3).

à la vue de ces pesées, je me dis que j'ai envie de tester encore d'autres éprouvettes, avec des remplissages de 10 %, 5 % et même 0 %... tout en sachant que même avec 0 % de remplissage, je devrais encore me situer aux alentours de 0,3 g/cm3, en effet, j'ai environ 0,8 mm de paroi... et je testerais bien aussi un remplissage plus élevé encore, histoire d'approcher le remplissage maxi théorique.

Modifié (le) Septembre 23, 2016 par oscar2000
ajout photo

[La Bidouille]

Hello,

Cela me semble un peu plus compliqué sans protocole "unique" et caractérisé..;

En effet si l'on prend ne serait que l'exemple de parois

il y a 25 minutes, oscar2000 a dit :

j'ai environ 0,8 mm de paroi...

Il faut prendre en compte l’épaisseur de chaque couche car cela influe directement sur le nombre de croisements des couches entre autre pour le top et le bottom

Pour une épaisseur de 0.8 en 0.2 il y aura 4 couches croisées ... en 0.3 ... plus que 2....l'on peut imaginer en 0,1 (c'est le principe du tissage en quelque sorte)

indépendamment de l'architecture de la structure intérieure les parois ont une très grosse importance dans les phénomènes de torsion... étirement et pliage jusqu’à rupture.

Le sens de la contrainte à aussi sont importance puisque les "murs" verticaux ne sont pas du tout "construit" de la même façon que la base et le sommet (de plus certains slicer ne font pas le même motif pour les murs extérieurs parallèles ... zigzag ... les 2 ...)

pas si simple en effet de tirer des conclusions ... mais plutôt des tendances .

[filament-abs.fr]

Le 13/08/2016 at 10:46, oscar2000 a dit :

je pense que le taux de remplissage est le facteur essentiel qui influence le module d'young, beaucoup plus que la forme du remplissage (quadrillage, nid d'abeille...)

Exactement. Il faut oublier tous les calculs théoriques qui, par exemple, donnent une structure en nid d'abeille quasi aussi résistante qu'une structure pleine. Avec la technologie FDM, la théorie ne fonctionne pas. Si vous voulez du costaud, il vous faudra augmenter l'infill.

[oscar2000]

bonjour la bidouille,

je ne sais pas si j'arriverai à des conclusions fermes et définitives avec mon plan d'expériences, mais je vais faire varier les paramètres un à un. pour commencer, je fais varier le taux de remplissage, tous les autres paramètres étant figés.

ensuite, je ferai varier l'épaisseur de la couche. (actuellement, c'est 0,2 mm)

ensuite, je ferai varier la température d'impression. (actuellement, c'est 230 °)

ensuite, je ferai varier la vitesse... ... ...

j'ai bien entendu noté tous mes paramètres d'impression.

peut être j'arriverai à valider mes intuitions, peut être je trouverai des choses totalement inattendues...

et ensuite, je pourrai comparer avec ça : http://www.wefapress.com/sites/default/files/ABS-fiche_technique.pdf