Université de Pennsylvanie: Contrôle de la distribution des défauts pour les pannes programmées

Université de Pennsylvanie: Contrôle de la distribution des défauts pour les pannes programmées

Chengyang Mo et Jordan R. Raney, du Département de génie mécanique et de mécanique appliquée, Université de Pennsylvanie, explorent le rôle des défauts dans les propriétés mécaniques dans la récente publication

Dans cette étude, les chercheurs embrassent et étudient les défauts plutôt que de les éviter

« Cependant, l’importance des défauts est beaucoup plus générale en génie des matériaux », précisent les chercheurs. « Par exemple, les défauts sont également vitaux dans les matériaux naturels, où les vides et les interfaces imparfaites sont responsables de la production d’excellentes combinaisons de propriétés mécaniques telles que la rigidité, la résistance et la ténacité dans des matériaux qui sont également légers. »

La nature offre souvent aussi l'inspiration, comme dans l'exemple de la nacre, une structure stratifiée trouvée chez les animaux marins

« Avec l’impression 3D multimatériaux, il est possible d’améliorer la ténacité du matériau en organisant des phases molles et rigides dans des architectures qui imitent des motifs naturels, tels que celui de la conque, de la nacre et du club de dactyle Stomatopod », expliquent les chercheurs. «Des composites bioinspirés tels que les polymères renforcés de fibres de verre, les polymères renforcés d’alumine et les fibres de carbone époxy ont également été développés pour les processus d’impression 3D en écriture directe.»

À mesure que la défaillance se produit, des défauts peuvent guider le processus, altérant une zone tout en améliorant une autre. Ces événements ne peuvent pas être ignorés car ils offrent un aperçu des moyens d'affiner l'impression 3D et les processus de fabrication additive.

«Étant donné que ce sont les défauts plutôt que les associations de matériaux spécifiques qui produisent les propriétés souhaitées, les résultats de ce travail sont pertinents pour un large éventail de processus de fabrication additive (FDM, DIW, SLS, etc.) et de matériaux (polymères, métaux, céramiques, et composites) », expliquent les chercheurs.

Les chercheurs ont imprimé en 3D des échantillons de courbure crantée à bord unique (SENB), démontrant les impacts des défauts sur les propriétés de défaillance. Ils se sont concentrés sur l'utilisation du PLA en raison de la

a) Illustration d'un procédé de fabrication additive par extrusion avec sa distribution systématique caractéristique des défauts; l'encart est une image au microscope montrant la distribution des défauts entre les filaments dans un plan perpendiculaire aux filaments; (b) Schéma de la structure Bouligand; c) Schéma des essais expérimentaux de courbure entaillée à bord unique (SENB), y compris les paramètres géométriques des échantillons et les définitions des coordonnées; d) Photographies d'échantillons après essai, montrant des surfaces de fracture similaires de deux matériaux différents (PLA et PDMS) imprimées avec deux processus additifs différents (FDM et DIW, respectivement); (e) Charge

Plusieurs échantillons de PLA ont été créés à l'aide d'une imprimante 3D Makergear M2, et pour cette étude, les chercheurs ont altéré les défauts, modifiant leurs propriétés, modifiant ainsi les défaillances normales. Les échantillons imprimés avaient chacun deux modes de défaillance possibles: fracture parallèle aux filaments ou fracture perpendiculaire aux filaments.

Schéma des orientations des filaments et images optiques de la surface de rupture pour des échantillons de tous les angles de tangage: (a) 5

Données µCT pour six échantillons (avec angle de tangage γ = 10◦). a) Pour chacun des six échantillons, l’essai de fracture a été interrompu à l’une des six positions indiquées; (b) le taux de libération d’énergie; (c) illustration des plans de référence des résultats µCT; (d) Reconstruction 3D des données µCT dans la région du front de fissure et des coupes YZ en avant du front de fissure d’origine.

«En disposant ces défauts dans un motif géométrique inspiré des matériaux naturels, nous avons obtenu des mécanismes de trempe (chemin de fissure complexe et chargement mixte au fond des fissures) comparables à ceux observés dans les matériaux naturels et dans les composites bio-inspirés», ont conclu les chercheurs.

«De plus, en faisant varier spatialement la distribution des défauts (comme observé dans les matériaux naturels), on peut en principe optimiser pour des combinaisons maximales de résistance et de ténacité. Contrairement aux recherches précédentes, qui portaient sur l’impression 3D multimatériaux, qui est très spécifique aux matériaux (par exemple, le rapport de rigidité entre les deux matériaux, l’adhérence interfaciale, etc.), nous avons montré que la distribution des défauts seule peut être contrôlée pour améliorer les caractéristiques de défaillance même dans les systèmes mono-matériaux. Ces résultats sont donc pertinents pour une grande variété de systèmes de matériaux et d’approches additives. »

L'étude des propriétés mécaniques dans l'impression 3D intéresse massivement presque tous ceux qui s'intéressent sérieusement à la fabrication de prototypes et de pièces, suscitant un intérêt pour des études telles que la façon dont la couleur a un effet, les problèmes de porosité, les améliorations offertes par les solutions de finition, et bien plus encore. Que pensez-vous de cette nouvelle? Faites-nous part de vos pensées! Rejoignez la discussion sur ce sujet et d'autres sujets sur l'impression 3D sur 3DPrintBoard.com.

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