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Comparatif Résistance / Sens d'impression de pièces imprimées en 3D

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Cette étude de comparaison de comportement à la flexion en fonction de l'orientation des couches a été réalisée grâce au banc d'essai d'éprouvettes imprimées en 3D conçu et fabriqué par Filimprimante3D. Cette étude ne fait référence à aucune norme et ne présente pas de caractère scientifique.

Description de l'essai

• Banc d'essai utilisé : banc d'essai R1 Filimprimante3D
• Imprimante 3D utilisée : Original Prusa MK2
• Diamètre de sortie de buse : 0.4 mm
• Filament utilisé : PET-G dailyfil naturel, référence DAF241763, numéro de lot 491969
  
• Nombre d'éprouvettes testées par paramètre d'impression variant : 3
• Vitesse d'essai : 11 mm/min
• Pas d'avancement de la traverse mobile : 0.1 mm
• Atmosphère d'essai : température : 18.6°C | hygrométrie : 58.1%
  

Les principaux paramètres d'impression fixes des éprouvettes sont :

• Température d'impression : première couche : 220°C puis 210°C
• Température de plateau : 70°C
• Ventilation : 30-50%
• Vitesse d'impression  : 60 mm/s
• Epaisseur des couches : 0.20 mm
• Remplissage : rectilinear (angle 45°), 100%
• Nombre de passages pour les murs (périmètres) : 2
• Nombre de couches pleines à la base : 4
• Nombre de couches pleines au sommet : 4

Profil Slic3r Original Prusa MK2 complet disponible ici.

Paramètres variants : sens d'impression : "à plat", "sur l'arrête", "debout".

Les éprouvettes de type "sur l'arête" ont été imprimées avec un brim.

La présence d'un défaut d'impression ayant été supposé sur l'une des 3 éprouvettes "debout", une 10ème éprouvette (E10) de ce type a été imprimée et intégrée à l'essai.

Impression "à plat" :

Impression "sur l'arête" :

Impression "debout" :

Résultat de l'essai

Le graphique ci-dessous présente le comportement des 10 éprouvettes avec en abscisse la flèche exprimée en mm et en ordonnée la charge exprimée en kg.

• E1, E2, E3 : "sur l'arête"
• E4, E5, E6, E10 : "debout"
• E7, E8, E9 : "à plat"

Interprétation de l'essai

Sans surprise, les éprouvettes imprimées "debout" cèdent avec les flèches et charges maximales les plus faibles. Notons que les 4 éprouvettes cassent de façon nette à la charge maximale. Notons également une hétérogénéité des flèches et charges maximales. Dans cette configuration d'impression "debout" où l'adhérence inter-couches représente le facteur limitant, le comportement des éprouvettes est disparate et sensible au moindre défaut d'impression.

Les comportements des éprouvettes imprimées "à plat" d'une part et "sur l'arête" d'autre part sont bien différenciés. Les résultats démontrent clairement une résistance plus importante des éprouvettes imprimées "sur l'arête" en ce qui concerne la charge maximale.

Les éprouvettes imprimées à plat présentent une charge maximale clairement plus faible mais une flèche à la charge maximale légèrement plus importante.

Afin de confirmer ou infirmer cette démonstration intéressante et inatendue, une deuxième série d'essai centrée sur les deux types d'impression "à plat" et "sur l'arête" a été réalisée. Les conditions d'essai sont identiques à l'exception de l'atmosphère. Pour cette seconde série les conditions atmosphériques sont :

• Atmosphère d'essai : température : 17.5°C | hygrométrie : 54.4%

Résultat de l'essai - 2ème série

Le graphique ci-dessous présente le comportement des 6 éprouvettes avec en abscisse la flèche exprimée en mm et en ordonnée la charge exprimée en kg.

• E11, E12, E13 : "à plat"
• E14, E15, E16 : "sur l'arête"

Interprétation de l'essai - 2ème série

Nous constatons un comportement inattendu de l'éprouvette E16 en tout début d'essai sans pouvoir en déterminer la raison à ce jour. Cette même éprouvette casse à la charge maximale. C'est la seule éprouvette de ce type ("sur l'arête") qui a cassé lors de cet essai.

Pour le reste, la tendance est confirmée, à savoir une charge maximale plus importante pour les éprouvettes de type "sur l'arête" et une flèche maximale légèrement plus importante pour les éprouvettes de type "à plat".

Hypothèse d'explication

Sur l'éprouvette "à plat" l'adhérence inter-couches constitue le facteur limitant. La contrainte appliquée tend à décoller les couches les unes des autres.

Sur l'éprouvette  "sur l'arête" chaque couche constitue une "mini-éprouvette" à rompre. Ce nombre de "mini-éprouvettes" est de 150 (30 mm / 0.2) alors que l'éprouvette "à plat" comporte 30 couches (6 mm / 0.2). S'ajoute à cela le remplissage à 100%, à un angle de 45° alterné, qui vient renforcer chaque "mini-éprouvette" de l'éprouvette "sur l'arête".

Bibliograhie : Additive manufacturing of PLA structures using fused deposition modelling: effect of process parameters on mechanical properties and their optimal selection