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Filament ABS

Kymaro

Etude sur le taux de remplissage.

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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 :

IMG_0714.JPG

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%

10Prcttttt.png30Prctttt.png50Prctttt.png70Prctttt.png

(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.

courbe 10Prct.pngcourbe 30PRCT.png

courbe 50Prct.pngcourbe 70Prct.png

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 :

loi de hooke.png 

où :

  •  sigma.png 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)
  •  ksi.png est la déformation, exprimé en %, rapport de la différence de hauteur engendré par l'expérience sur la hauteur initiale (deformation.png)
  •  module.png 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 ! :D

 

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.

OH MON DIEU LA COURBE OUBLIE QUI EST GOLDE.png

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.

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youtube drone débutant

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 ) :D

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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 :x

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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.

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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.

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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

CONCENTRIQUE.pngHEXAGONALE.pngRECTILIGNE.png

 

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


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) par Kymaro
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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. 

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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:

aezaze.png

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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!

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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.

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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.

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