Démarche et exemples

Processus de fabrication additive

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Concevoir, optimiser et valider numériquement la tenue en fatigue de vos pièces séries issues d'impression 3d


Le potentiel de tenue en fatigue

L'étude du potentiel de tenue en fatigue d'une pièce ou structure consiste à maîtriser le comportement du matériau à partir des essais sur éprouvettes.
Ces essais sont réalisés dans le laboratoire d'essais en fatigue de Mécastyle.
Les calculs par éléments finis préalablement réalisés sur les numérisations 3d des éprouvettes permettent de déterminer les contraintes générées par le cycle de fatigue.

À partir des données issues de notre laboratoire d'essais, nous estimons la durée de vie (en nombre de cycles ou temps) de cette pièce ou structure.

S'inscrire dans une démarche de préconisation de tenue en fatigue nécessite de mener à bien les étapes suivantes :

  • Essais de traction pour la détermination des Lois comportementales prenant en compte l'orthotropie du matériau, notamment en process SLS (on fait l'hypothèse de l'isotropie de la couche concernant l'orientation des fibres)
  • Détermination de la Courbe S-N (Stress ; Number of cycles) du matériau préconisé (essais fatigue sur éprouvettes dans le laboratoire d'essais de Mécastyle)
  • Conception
  • Calcul de structure sur Abaqus (prise en compte du caractère orthotrope du matériau) en fonction du torseur des actions mécaniques appliqué sur la pièce
  • Optimisation topologique incrémentale
  • Optimisation topologique sur TOSCA
  • Préconisation de tenue en fatigue : Mécastyle prédit au client la durée de vie de la pièce ou structure conçue

 

Notre activité de conseil en Fabrication Additive présentée suivant 3 exemples

À noter que les valeurs issues des caractérisations de Mécastyle ne seront pas communiquées, nous raisonnerons donc sur la base d'un critère Cs (Critère simplifié) :

  • Critère simplifié inter-strates (risque de délaminage entre strates)
  • Critère simplifié intra-strate (sollicitation dans la strate)

Pour chaque exemple traité en Duraform HST, et d'après le graphe de synthèse des essais à suivre, nous estimons le Cs maxi en fonction du sens d'empilement optimum des couches :

 Fabrication additive - Diagramme de Wöhler

Chaque point sur le graphe représente 1 essai sur 1 éprouvette (environ 140 éprouvettes testées et 300.106 cycles réalisés).

Nous pouvons proposer un traitement statistique de ces data afin de déterminer les critères (inter et intra strates) en fonction d'indices de confiance choisis par nos clients.

1. Galet de guidage

Chaque galet en Duraform HST (PA12-30%FV) subit un effort de 275N sur une suface de 111mm², soit une pression de 25 bars (2.5MPa).

L'objectif de tenue en fatigue est fixé à 2.106 cycles.

Pour toutes les architectures de galets, le sens d'empilement des strates est longitudinal (donc suivant l'axe principal des galets).

 

 Galet origine plein non optimisé

Fabrication Additive - Galet plein

 Fabrication Additive - Galet plein

  Fabrication additive - Calcul de structure Galet plein

Soumis à 25 bars au niveau de la zone de contact avec le câble, le galet subit un taux de contraintes très inférieur au critère Cs.

Le potentiel d'optimisation topologique est donc très important, avec l'objectif de respecter le potentiel de tenue en fatigue de 2.106 cycles.

 

Optimisation topologique incrémentale

L'optimisation topologique incrémentale consiste dans l'évolution pas à pas de la structure à partir d'une architecture de base initialement choisie. La piste d'otpimisation initiale peut ne pas être directement celle qui offrira le meilleur compromis...

L'architecture issue de fabrication additive doit être adaptée à l'évacuation de la matière non lasérisée interne au galet.

Nous ne présentons ici que la dernière version numérisée à 6 nervures, les précédentes n'ayant pas donné satisfaction, non plus...

Fabrication Additive - Galet 6 nervures

 

Fabrication additive - galet 6 nervures

 

Fabrication additive - Calcul galet 6 nervures

 

On remarque que le critère Cs (intra) assurant 2.106 de tenue en fatigue n'est pas respecté dans le congé de pied de nervure : en effet, la zone grise en pied de nervure indique que les contraintes atteintes dans cette zone sont supérieures au critère Cs.

Cette architecture consistant à utiliser des nervures internes génère des ruptures d'inerties à l'origine de zones de contraintes maxi ne permettant pas le respect de l'objectif de tenue en fatigue.
Cette démarche pourrait peut-être donner satisfaction en augmentant le nombre de nervures, mais au détriment de la masse.

 

Optimisation topologique sur TOSCA 

Les vues à suivre présentent l'architecture obtenue par optimisation sur TOSCA :

Fabrication additive - Galet Optimisé TOSCA

 

Fabrication Additive - Galet Optimisé TOSCA

 

Fabrication Additive - Calcul Galet Tosca

 

Fabrication Additive - Calcul Galet Tosca

 

Fabrication Additive - Calcul Galet Tosca

 

La conclusion sur le potentiel de tenue en fatigue doit impérativement être précédée par l'étude des contraintes principales notamment dans la zone des contraintes maxi.
En effet, nous devons déterminer le type de sollicitation : inter-strates ou intra-strate.

Les 2 vues à suivre présentent la zone de maxi (entourée en rouge) dans la même orientation (cf. dièdre).

 

Fabrication additive - Contraintes principales

 

Fabrication additive - Contraintes principales

   

Conclusion : les Cs aussi bien inter-strates que intra-strate ne sont pas atteints.
Cette architecture dispose donc d'un potentiel de tenue en fatigue ≥ 2.106 cycles.

À noter que notre approche est systématiquement conservative dans l'utilisation des critères. En cas de taux de contraintes significatif inter-strates, ce sera ce critère inter-strates qui sera exploité.

 

Les gains massiques de ces 2 solutions :

  • Galet plein : 85g
  • Galet optimisé TOSCA : 37g
    • gain de 56% de matière  (hypothèse matière non lasérisée recyclée)

 

2. Ballast 

Une des fonctions principales de cette pièce est de constituer un ballast.

Cette pièce, aussi bien en impression 3d qu'en injection, est composée d'un corps principal et d'un obturateur.
Dans le cas de l'impression 3d, un trou permet de vider la matière non lasérisée ; l'obturateur devra donc être collé pour obturer ce trou.

Le dossier économique détaillant le prix de revient en fonction des quantités des architectures imprimée 3D et injectée sera présenté dans les actualités.

Cette pièce subit une variation cyclique de pression de 0 à 5bars (0.5MPa). 

Fabrication Additive - Bumper

 

Fabrication Additive - Calcul Ballast

 

 Fabrication Additive - Calcul Ballast

 

L'étude des contraintes principales permet d'assurer une tenue en fatigue ≥ 2.106 cycles :

  • Par contrôle du respect du Cs inter-strates 
  • Par contrôle du respect du Cs intra-strate

Nous remarquons dans la vue à suivre des zones grises correspondant au dépassement du critère Cs intra-strate sur quelques noeuds.

D'après les contraintes principales, ces zones subissant des contraintes en compression pure, nous acceptons ce dépassement du critère de quelques %.

Fabrication Additive - Contraintes principales Ballast

 

 

Fabrication Additive - Contraintes principales Ballast

 

Conclusion : cette architecture dispose donc d'un potentiel de tenue en fatigue ≥ 2.106 cycles.

 

3. Culbuteur de distribution (non desmodromique)

Bien que n'ayant pas encore caractérisé une nuance d'aluminium imprimée 3d en fatigue, nous nous sommes intéressés à ce type de pièce généralement issue de fonderie coquille.

En première approche, on peut considérer une tenue fatigue infinie (de l'ordre de 107 cycles) quand la contrainte maxi atteinte dans une pièce est < Rp0.2/2.5 (hors zones singulières type Conditions Limites).

Prenons l'exemple d'un AS7G0.6 état T6 issu de fonderie coquille ayant une Rp0.2 de 240MPa : en première approche, une tenue fatigue infinie impliquerait que toutes contraintes soient < 96MPa.

Hypothèse : aluminium imprimé 3d isotrope et de caractéristiques identiques à la fonderie.

L'effort appliqué par la queue de soupape sur le culbuteur : 320N

Calcul de structure culbuteur fonderie

Sous ce niveau d'effort, le culbuteur de masse 36g subit une contrainte maxi de 41MPa.

On pourrait en déduire qu'il existe un potentiel d'optimisation de la masse matière.
Or, cette masse matière dépend :

  • Du process de fonderie qui impose des épaisseurs minimales des voiles de matière pour permettre le remplissage de l'empreinte
  • Des dimensions de la pièce.

Avec le processus SLS (Selective Laser Sintering), il n'y a plus de notion d'épaisseur de voile mini, mais une section mini de toute forme synthétisée : cela permet de décomposer l'architecture en formes géométriques élémentaires indépendantes et de sections variables.

Fabrication additive - culbuteur SLS

 

Pour une masse de 24g, la contrainte maxi atteinte est de 99MPa et ce en quelques noeuds, non systématiquement pris en compte en post-traitement.

De part la liberté des formes offerte par le processus additif type SLS, le couple masse - contrainte pourrait être encore amélioré.