Magazine Mardi 28 août 2018 - 12:07

Thomas Péan, dirigeant de Mécastyle, nous parle du comportement en fatigue des pièces

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Mécastyle est un bureau d’études en ingénierie mécanique et un laboratoire d’essais, agréé CIR et CII. La société a notamment pour clients historiques Saunier Duval, Waterman, Pilote, CGG, Dorel, Vaslin Bucher, PCM, Safran. Depuis quelques années, elle souhaite être capable d’intégrer l’ingénierie mécanique nécessaire à la conception en fabrication additive et en impression 3D. Pour Thomas Péan, dirigeant de Mécastyle, il faut « comprendre et maîtriser la technologie et ses procédés pour pourvoir conseiller nos clients ». La société mène donc des essais sur les matériaux pour anticiper le comportement en fatigue des pièces ou structures.

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Aujourd’hui, les connaissances sur les matériaux dans le domaine de la fabrication additive et de l’impression 3D sont très limitées. Cette technologie récente n’a pas encore permis de collecter suffisamment de savoirs dans ce domaine et les retours d’expérience sont trop peu nombreux. Or, les industriels ont besoin de ces données pour leur production et pour concevoir des pièces fonctionnelles. Le bureau d’études en ingénierie mécanique et laboratoire d’essais Mécastyle s’est donc lancé dans l'analyse en fatigue des matériaux additifs. Thomas Péan, dirigeant de Mécastyle, a répondu aux questions d’A3DM Magazine. La société d’ingénierie livrera également, dans un prochain numéro, un article complet sur sa campagne de caractérisation en fatigue du matériau polymère DuraForm®HST de 3D Systems.

Comment la société Mécastyle en est-elle venu à travailler sur la fabrication additive et les calculs de tenue en fatigue ?

Mécastyle est historiquement un bureau d’études en ingénierie mécanique. Dans le cadre de la production d’un projet de drone sous-marin, nous avons conçu et dimensionné des pièces issues de fabrication additive. Ces pièces, utilisées sur des prototypes fonctionnels, devaient répondre à un cahier des charges précis. Ces dimensionnements étaient impossibles faute de caractéristiques matériaux (statique et fatigue). De là l’idée d’un laboratoire d’essais ayant pour objectif d’alimenter une base de données « matériaux » pour pouvoir réaliser notre métier d’ingénierie.

La fabrication additive et l’impression 3D permettent aujourd’hui de réaliser des pièces fonctionnelles séries (au-delà du prototype). Pour pérenniser leurs usages, nous avons besoin de connaître les caractéristiques des matériaux utilisés. Après deux ans de travaux, nous exploitons en continue six machines de tests, pour caractériser les matériaux. Par exemple, nous travaillons sur la tenue en fatigue du matériau polymère DuraForm®HST de 3D Systems, un PA12 – 30%FV. Ce matériau offre des caractéristiques très intéressantes car proches des polymères techniques injectés. Il est notamment très utilisé dans l’industrie automobile ou d’autres secteurs comme celui des biens d’équipements. D’autre part, le DuraForm®HST est fortement anisotrope. La connaissance de ces matériaux additifs permet de réaliser la conception, les calculs de structure, puis de donner clé en main une solution viable pour le client. Cette solution permettra aux industriels de réduire leur phase de tests (en nombre de pièces et nombre d’essais), même si la simulation ne se substituera pas à une campagne de validation sur une quantité réduite de pièces. La boucle itérative que nous préconisons chez Mécastyle (études -> calculs -> essais) est ainsi fortement réduite. Ainsi, par anticipation des risques de défaillances statique et fatigue, nous optimisons les temps de mise sur le marché (time to market) des projets de nos clients. 

De plus, nous réalisons actuellement un benchmarking sur les logiciels métiers pour anticiper la déformation des pièces issues de la fabrication additive, surtout concernant les pièces métalliques. Trois logiciels sont également en tests : 3DExperience, MSC Simufact et Ansys Additive Print. L’objectif est de pouvoir anticiper les phénomènes liés au process de fabrication additive : déformations, contraintes résiduelles, blade crash… Et ainsi, maîtriser la chaîne d’ingénierie complète, en amont de la fabrication.

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Visualisation de l'amorce de rupture entre strates (figure du haut) ou à l'extrémité de strate (en bas).

Vous fournissez des éléments de calculs de structure, mais vous ne certifiez pas les pièces.

Nous ne certifions pas, mais afin que nos clients puissent certifier leurs pièces, nous leur conseillons d’intégrer un bureau de certification en amont des études. En effet, ce bureau de certification réalisera une synthèse des normes à appliquer afin de les intégrer dès le début de la conception. Cela évitera une remise en cause de la conception en phase de validation des études.

Vous avez créé un site dédié à la fabrication additive (www.fabrication-additive.fr). Pouvez-vous nous en parler ?

Effectivement. Nous avons détaillé dans ce site notre approche concernant cette technologie de fabrication additive : « prestations de calculs en fatigue » ; « prestations laboratoire d’essais » ; « optimisation topologique » pour aider à l’architecture 3D des pièces. Nous présentons les conclusions sur plusieurs cas en termes de potentiel de tenue en fatigue de pièces à partir des essais sur éprouvettes. Nous ne donnons pas les critères de tenues, propriété de Mécastyle. Nous analysons les comportements des éprouvettes suivant la direction d’« additivation » et la charge. Ces données, obtenues dans le laboratoire d’essais, sont exploitées pour notre travail d’ingénierie et de conception des pièces. Grâce à celles-ci, la simulation gagne en précision.

Le travail de post-traitements des résultats des calculs nécessite une vérification de l’orientation des contraintes. En effet, le matériau étant anisotrope, ses caractéristiques mécaniques sont différentes suivant la direction d’empilement des couches. Il est donc nécessaire de s’interroger sur l’orientation des contraintes au regard du sens d’empilement des couches pour une tenue optimale.

Dans ce site, nous présentons également l’analyse économique comparative des processus de fabrication additive et d’injection. Cela donne par graphique un état des lieux intéressant, présentant un point mort pour des séries de 600 pièces… aujourd’hui. En effet, le paramètre temps est important car les process vont évoluer (tendance à une plus forte productivité en fabrication additive). Il faut ajouter, au profit de la fabrication additive et de l’impression 3D industrielle, l’absence de délai d’industrialisation et la réduction du délai de livraison par rapport à l’injection, puisque les pièces peuvent être produites sur place, et qu’il n’y a pas besoin d’outillages.

Vous allez nous présenter dans un prochain numéro votre étude de caractérisation en fatigue du matériau polymère DuraForm®HST de 3D Systems. Pouvez-vous nous en parler rapidement ?

Nous avons décidé de travailler sur un PA12–30 % FV, car, pour rappel, c’est un matériau au potentiel mécanique intéressant, pouvant en partie se substituer aux autres polymères techniques issus d’injection. Les caractéristiques dont nous disposons nous permettent d’apporter des réponses rapides et pertinentes aux demandes de nos clients. Nous contribuons à leur agilité et à leur réactivité qui sont désormais clés sur tous les marchés.

Grâce à la base de données constituée sur ce matériau, après plus de 140 éprouvettes testées et 275 millions de cycles réalisés, nous sommes désormais le seul bureau d’études indépendant en mesure de concevoir les pièces et d’estimer leur tenue en fatigue en fonction des cahiers des charges de nos clients. La prochaine campagne d’essais programmée pour septembre 2018 portera sur un matériau métallique : l’aluminium AS7G06.

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Visualisation d'une face de rupture au microscope à balayage électronique.

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