Test de résistance d'une pièce imprimée en PLA (impression 3D)

Résultats inattendus = article savoureux

par skywodd | May 14, 2017 | Licence (voir pied de page)

Catégories : Tests | Mots clefs : Imprimante 3D PLA Impression 3D

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Dans cet article, je vous propose de tester la résistance d'une pièce plastique imprimée en 3D avec du filament PLA. Les pièces de tests vont subir les pires atrocités au nom de la science : cisaillement, flexion 3 points, torsion et étirement. Âmes sensibles s'abstenir.

Sommaire

• Pièces de test et paramètres d'impression
• Protocole de test
• Résultats des tests
• Analyse des fragments de pièces
• Interprétation des résultats
• Conclusion

Bonjour à toutes et à tous !

Cela fait maintenant plusieurs mois que j'ai fabriqué mon support 3+1 écrans pour ordinateurs. À l'époque, une question très pertinente m'avait été posée : une charnière imprimée en 3D pourrait-elle remplacer la charnière en métal fabriquée par mes soins ?

Sur l'instant, j'avais répondu : IMPOSSIBLE. Comment une pièce imprimée en 3D pourrait-elle supporter le poids d'un écran d'ordinateur au bout d'un tube de 40cm de long ? Cela me paraissait tout bonnement impossible.

Et puis le temps du doute est venu. Répondre "impossible !" sans arguments ni chiffres à l'appui n'est pas très scientifique. J'avais donc entrepris à l'époque toute une série de tests pour répondre à deux grandes questions :

• Quel poids une pièce de test en PLA peut-elle supporter avant de casser. Est-ce qu'on est dans l'ordre de la centaine de grammes, du kilogramme, de la dizaine de kilogrammes ou beaucoup plus ?

• Est-ce que l'orientation de l'impression influe sur la résistance de la pièce, et si oui, dans quelles proportions ?

Pour faire court, les tests ont pris une éternité (vous comprendrez vite pourquoi à la lecture des chapitres suivants) et l'écriture du "contre rendu" de tests a été mainte fois reportée par manque de temps motivation. Ne supportant plus de voir cet article trainer sur mon bureau, j'ai décidé de le terminer une bonne fois pour toutes.

Pièces de test et paramètres d'impression

Avant d'entrer dans le vif du sujet, parlons un peu de la (ou plutôt les) pièce(s) de tests, ainsi que des paramètres d'impression de celle(s)-ci.

Afin de réaliser tous les tests présentés dans le chapitre suivant, j'ai conçu une petite pièce de test, disponible en trois variantes.

La pièce de test est constituée d'un cube de 20x20x20mm servant de base de fixation, avec un rectangle de 10mm de large, 20mm de long et 20mm de haut par dessus. Celui-ci est percé à son extrémité pour permettre la fixation d'un poids. Dans les variantes n°2 et n°3, la base est elle aussi percée (perpendiculaire ou parallèlement au premier trou) pour permettre sur fixation de la pièce sur une tige en métal.

J'ai choisi de faire une pièce de test en forme de T afin d'obtenir des résultats sur la partie la plus faible d'une impression 3D : la jonction entre deux surfaces. Faire un simple test de résistance sur un rectangle de plastique n'aurait eu que peu d'intérêt.

PS Les sources et fichiers STL sont disponibles ici pour ceux qui souhaiteront reproduire les tests du chapitre suivant.

Chaque variante de la pièce de test est imprimée en trois versions :

• Couches empilées sur la hauteur (axe Z),

• Couches empilées sur la profondeur (axe Y),

• Couches empilées sur la largeur (axe X, a nécessité l'impression de supports).

N.B. Afin d'éviter toute erreur de compréhension, j'ai symbolisé les couches avec des traits rouges sur la photographie ci-dessus.

Paramètres d'impression des pièces :

• Imprimante : BCN3D Sigma (première édition)

• Plastique : PLA Premium ColorFila (diamètre 3mm)

• Profil d'impression : CURA PLA Rapide

• Buse : 0,4mm

• Hauteur de couche : 0,3mm

• Périmètres : 0,8mm

• Remplissage : 15%

N.B. Toutes les pièces ont été imprimées en même temps, avec la même bobine de plastique, pour garantir une certaine cohérence des résultats.

PS Comme on peut le voir sur la photographie ci-dessus, j'ai aussi imprimé des rectangles de plastique de 10x10x100mm suivant le même principe que la pièce de test afin de réaliser un test de flexion "standard".

Protocole de test

Le protocole de tests pour cette expérimentation est découpé en cinq tests. Pour chaque test, les trois orientations d'impression possible de la pièce (X, Y, Z) sont testées. Une série de trois échantillons est collectée pour chaque test et orientation afin d'obtenir une moyenne un minimum fiable.

Remarque : Pour être rigoureux, un minimum de cinq échantillons devrait être collecté. Trois échantillons sont vraiment le strict minimum pour faire une moyenne. Cependant, cinq tests, avec trois orientations possibles, multiplées par cinq échantillons, je vous laisse faire le calcul. Pour information, avec seulement trois échantillons, les tests ont demandé trois jours complets d'expérimentation et un joli mal de dos

Le premier test est un test de cisaillement avec fixation de la pièce de test par compression.

Dans ce test, la pièce est fixée sur une table recouverte d'une surface rigide au moyen d'un serre-joint placé sur la base de la pièce. L'extrémité de la pièce de test dépasse de la table pour permettre la fixation d'un sac au moyen d'un crochet. Le sac est rempli progressivement de poids de 500 grammes jusqu'à rupture de la pièce.

Afin de ne pas impacter les résultats, chaque serre-joint est serré de la même façon sur la pièce.

PS Les lecteurs pointilleux remarqueront que cette configuration de test n'est pas optimale, car le point d'accroche du sac n'est pas parfaitement à la verticale du centre de la pièce de test. Ce qui est tout à fait exact.

Le second test est un test de cisaillement (bis) avec fixation de la pièce de test sur un pivot en métal.

Le principe est le même qu'avec le premier test, seulement, au lieu de fixer la pièce avec un serre-joint, celle-ci est "empalée" sur une tige verticale.

Le troisième test est un test standard de flexion en trois points.

Une barre de plastique de 10x10x100mm est posée aux extrémités de deux tubes rectangulaires en métal et un poids est suspendu au centre de la barre en plastique.

Le quatrième test est un test de torsion.

Le test est réalisé au moyen de deux serre-joints. Le premier est fixé sur la base de la pièce et le second perpendiculairement au premier sur l'extrémité de la pièce. La longueur du bras de levier obtenue est d'environ 11cm.

PS L'élastique sur la photographie ci-dessus sert simplement à maintenir en place la tigette du serre-joint. Il n'a pas vraiment d'impact sur le résultat du test.

Le cinquième test est un test d'étirement.

La pièce de test est simplement suspendue dans le vide par une tige en métal et un sac rempli progressivement de poids est accroché au moyen d'un crochet sur l'autre extrémité de la pièce.

Résultats des tests

Direction des couches	Cisaillement	Cisaillement sur pivot	Flexion	Torsion	Etirement
Hauteur (Z)	Résultats : 7.5 Kg 6 Kg 6 Kg Moyenne : 6 Kg Casse : net	Résultats : 6 Kg 7 Kg 8 Kg Moyenne : 7 Kg Casse : net	Résultats : 9 Kg 9 Kg 9 Kg Moyenne : 9 Kg Casse : net	Résultats : 3.5 Kg 3.5 Kg 3.5 Kg Moyenne : 3.5 Kg Casse : net	Résultats : 15 Kg 15 Kg 15 Kg Moyenne : 15 Kg Casse : net
Profondeur (Y)	Résultats : 16 Kg 19 Kg 18 Kg Moyenne : 17 Kg Casse : lente (début 14 Kg)	Résultats : 22 Kg 22 Kg 20 Kg Moyenne : 22 Kg Casse : net	Résultats : 31 Kg 28 Kg 28 Kg Moyenne : 28 Kg Casse : net	Résultats : 3.5 Kg 3 Kg 4 Kg Moyenne : 3.5 Kg Casse : net	Résultats : 27 Kg 27 Kg 27 Kg Moyenne : 27 Kg Casse : net
Largeur (X)	Résultats : 17 Kg 17 Kg 18 Kg Moyenne : 17 Kg Casse : net	Résultats : 13 Kg 12 Kg 12 Kg Moyenne : 12 Kg Casse : net	Résultats : 29 Kg 27 Kg 26 Kg Moyenne : 27 Kg Casse : net	Résultats : 4 Kg 3.5 Kg 4 Kg Moyenne : 4 Kg Casse : net	Résultats : 14 Kg 19 Kg 18 Kg Moyenne : 18 Kg Casse : net

Quelques remarques :

• J'ai calculé les moyennes en écartant les valeurs manifestement hors de ma plage d'erreur (1Kg). Le but est d'écarter le plus possible les défauts liés à l'impression des pièces elle-même.

• Toutes les pièces ont cassé de manière imprévisible, sauf dans un cas. Le plastique PLA est connu pour casser net, sans prévenir. La casse progressive observée lors du premier test est donc surement liée aux paramètres d'impressions, ou au plastique lui-même. Les trois pièces de ce test avaient été imprimées avec le début d'une bobine neuve. Il est possible que les propriétés mécaniques du plastique aient été modifiées sur les premiers mètres de filament par les conditions de stockage de la bobine.

• Lors du test de cisaillement sur pivot, la pièce ne touchait pas la base du support en métal. Le diamètre du trou imprimé était tout juste suffisamment pour faire passer la tige de métal.

Analyse des fragments de pièces

Suite aux tests, je me suis retrouvé avec plein de petits morceaux de plastique. En regardant les différents fragments, j'ai remarqué des similitudes.

Lors du test de cisaillement avec compression, le point de rupture se situe entre deux couches de plastique dans deux cas sur trois. La casse est alors nette, sans bavure.

Cependant, avec les couches de plastique perpendiculaires à la force appliquée, le plastique a été tout simplement arraché.

Lors du test de cisaillement sur pivot, on remarque des dégâts similaires au premier test, mais avec un arrachement plus prononcé sur certaines pièces.

Lors du test de flexion, dans l'axe Z, c'est l'adhérence entre les couches qui a fait se briser la pièce. Par contre, dans les deux autres cas, la pièce a résisté jusqu'à la limite mécanique du plastique.

Le test de torsion a été un vrai massacre. Toutes les pièces ont fini en miettes. La rupture est, semble-t-il, due à un mélange d'adhérence entre les couches et des limites mécaniques.

Pour finir, lors du test d'étirement, dans l'axe Z, c'est la couche la plus faible qui a cassé en premier. Pour l'axe Y, c'est l'extrémité de la pièce au niveau du perçage qui a cédé systématiquement. Pour l'axe X, c'est la jonction entre la base et le T qui s'est arraché, plus ou moins violemment.

Interprétation des résultats

À lecture des résultats et analyses des dégâts, il semble évident que l'orientation de la pièce lors de l'impression a un impact majeur sur la résistance mécanique de la pièce.

Un peu comme avec une buche de bois, il est relativement simple de fendre une impression 3D dans le sens des couches, alors qu'il est bien plus compliqué de casser la pièce quand la force est perpendiculaire au sens des couches.

L'adhésion entre les couches est définitivement le point faible d'une impression 3D. La différence est flagrante : presque 30Kg dans un sens, à peine 6Kg dans l'autre. Des paramètres d'impressions plus adéquats pourraient sans aucun doute améliorer l'adhésion entre les couches. Cependant, la différence est bien trop grande pour être ignoré.

Je suis véritablement impressionné par la résistance du PLA. Lors du test de flexion, une des barres de plastique à résister jusqu'à 31Kg ! Avec mes paramètres d'impression, il n'y avait pourtant que 4 petites couches de plastique de 0,4mm d'épaisseur (1,6mm au total). Le reste n'est rien de plus que de l'air ! C'est d'autant plus impression que le sac à gravats (en nylon renforcé) utilisé pour stocker les poids a cédé avant ladite pièce en plastique.

Je tire aussi plusieurs autres leçons de ses résultats :

• Le PLA casse net dans la plupart des cas, ce qui n'est pas forcément une bonne chose, surtout pour des pièces mécaniques.

• La torsion est l'ennemi n°1 des pièces imprimées en 3D,

• Une pièce doit être conçue dès le départ pour de l'impression 3D. Orientation, forme, paramètres d'impression, tout doit être pris en compte lors de la conception de la pièce. Les pièces imprimées en 3D ont manifestement des spécifiées mécaniques bien particulières qu'il ne faut pas oublier lors de la conception.

• Il peut parfois être avantageux de sacrifier la qualité de rendu d'une surface en plaçant une pièce sur le côté avec des supports si cela permet d'orienter la force perpendiculairement aux couches.

Conclusion

Cet article est désormais terminé.

En conclusion, oui, la charnière en métal de mon projet 3+1 écrans aurait peut être pu être remplacés par une pièce imprimée en 3D. En tout cas, cela ne me parait plus si impossible désormais.

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