Brevet FR3141372A1 — publié le 20240503

PROCEDE DE FABRICATION D’UNE EPROUVETTE DE TRACTION PAR DÉPÔT DE COUCHES SUCCESSIVES DE FILAMENTS FONDUS ET EPROUVETTE DE TRACTION OBTENUE PAR CE PROCEDE Un premier aspect de l’invention concerne un procédé de fabrication d’une éprouvette de traction (10) par dépôt de couches (12) successives de filaments (14) fondus, comprenant une étape de réalisation d’un tronçon discontinu (26) de l’éprouvette de traction (10), en une seule couche, dans laquelle chaque filament (14) fondu s’étend selon un axe de traction (X) et est éloigné transversalement d’un filament (14) fondu adjacent. Un deuxième aspect de l’invention concerne une éprouvette de traction (10) obtenue par le procédé de fabrication selon le premier aspect de l’invention. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 3 PROCEDE DE FABRICATION D’UNE EPROUVETTE DE TRACTION PAR DÉPÔT DE COUCHES SUCCESSIVES DE FILAMENTS FONDUS ET EPROUVETTE DE TRACTION OBTENUE PAR CE PROCEDE DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION La présente invention se rapporte au domaine des éprouvettes de traction utilisées pour la caractérisation des matériaux. La présente invention concerne plus particulièrement un procédé de fabrication d’une éprouvette de traction par dépôt de couches successives de filaments fondus et une éprouvette de traction obtenue par le procédé de fabrication. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION Il existe des procédés de fabrication de pièces par dépôt successif de couches de matières utilisant par exemple un filament de matière polymère fondu ou encore un filament de résine de type polyaryléthercétones (PAEK) ou de type polyétherimides (PEI). Un exemple de ce type de procédé de fabrication est le dépôt de fil fondu (DFF), ou Fused Filament Fabrication (FFF) en terminologie anglo-saxonne. Le FFF est une technologie de fabrication additive, appelée aussi impression trois dimensions (3D) impliquant l’utilisation d’une imprimante 3D. La illustre une imprimante 3D 2 selon l’état de la technique comprenant : une tête d’impression 4 équipée d’au moins une buse d’extrusion 6, ou extrudeur, un plateau 8 d’impression, et une bobine 9 de filament 14. Le filament 14 issu de la bobine 9 est chauffé, fondu puis déposé par la buse d’extrusion 6 de la tête d’impression 4 sur le plateau d’impression 8. La tête d’impression 4 est mobile en translation selon les directions X, Y et Z et son mouvement est guidé suivant un chemin prédéfini de manière à dessiner la pièce à fabriquer. En règle générale une pièce issue d’un procédé est considérée comme un corps homogène. En revanche, dans le cas d’une pièce réalisée par dépôt de couches successives de filaments fondus, et plus particulièrement via la technologie FFF, la pièce obtenue est composée d’une pluralité de filaments déposés les uns contre et sur les autres. Des espaces sont formés entre les filaments fondus et la présence de faiblesses aux interfaces des filaments fondus et des couches ont un impact important sur le comportement mécanique de la pièce. Par exemple, une pièce réalisée dans même matériau par un procédé de fabrication par injection et/ou par la technologie FFF présente un comportement mécanique différent pour une géométrie identique. Classiquement, pour obtenir des informations sur le comportement élastique, le comportement plastique et le degré de résistance à la rupture d'un matériau, lorsqu'il est soumis à une sollicitation, on réalise un essai de traction au moyen d’une éprouvette de traction. L'essai de traction permet de caractériser les matériaux indépendamment de la forme de la pièce sollicitée. Il existe différentes géométries d’éprouvettes de traction utilisées en fabrication additive. Les plus courantes sont normalisées et présentent une section transversale continue. La est un exemple d’éprouvette de traction 10 selon l’état de la technique comprenant : une première et une deuxième portions larges 16, 18, une portion étroite 20, longitudinale, s’étendant selon un axe de traction X, et une première et une deuxième portions de liaison 28, 30 comprenant des bords transversaux 32 reliant les premières et deuxièmes portions larges 16, 18 à la portion étroite 20. Dans le cas d’une éprouvette de traction réalisée par un procédé de fabrication par injection, on peut donc considérer qu’un essai de traction caractérise le comportement mécanique du matériau lui-même. En revanche, dans le cas d’une éprouvette de traction réalisée par la technologie FFF, la structure des filaments fondus déposés a un impact trop important sur le comportement mécanique de la pièce pour affirmer que l’essai de traction caractérise le comportement mécanique du matériau lui-même. Par conséquent, le résultat de l’essai mécanique sur une telle éprouvette de traction est lié à la structure particulière de l’éprouvette de traction testée, en particulier à l’assemblage des filaments fondus formant la pièce finale. La géométrie prédéterminée des éprouvettes de tractions n’est donc pas particulièrement adaptée à un procédé de fabrication par dépôt de couches successives de filaments fondus. En effet, chaque paramètre de dépôt des filaments fondus influence directement les résultats des essais de traction de l’éprouvette. Par conséquent, il est difficile de connaitre le comportement réel du matériau et donc d’obtenir une donnée représentative, utilisable pour le dimensionnement d’une pièce. L’invention offre une solution aux problèmes évoqués précédemment, en proposant un procédé de fabrication d’une éprouvette de traction par dépôt de couches successives de filaments fondus et une éprouvette de traction obtenue par le procédé de fabrication et présentant une géométrie particulière. Un aspect de l’invention concerne un procédé de fabrication d’une éprouvette de traction par dépôt de couches successives de filaments fondus, comprenant une étape de réalisation d’un tronçon discontinu au sein de l’éprouvette de traction, en une seule couche, dans laquelle chaque filament fondu s’étend selon un axe de traction X et est éloigné transversalement d’un filament fondu adjacent. La réalisation d’un tronçon discontinu de l’éprouvette de traction selon l’invention permet, grâce à la dissociation des filaments fondus les uns par rapport aux autres, d’éviter toute interaction entre les filaments. Par conséquent, le résultat obtenu lors d’un essai de traction sur une éprouvette de traction selon l’invention caractérise le comportement mécanique du matériau constituant le filament fondu lui-même. Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le procédé de fabrication selon un aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : le procédé de fabrication met en œuvre la technologie de fabrication additive par dépôt de filaments fondus, et la succession de couches de filaments fondus forme une épaisseur de l’éprouvette de traction. Un deuxième aspect de l’invention concerne une éprouvette de traction comprenant : deux portions larges, et une portion étroite longitudinale s’étendant selon un axe de traction X et reliant les deux portions larges. Chaque portion est définie géométriquement par une surface inférieure et une surface supérieure, séparées par une épaisseur. L’éprouvette de traction est obtenue par le procédé de fabrication selon le premier aspect de l’invention, et la portion étroite comporte un tronçon discontinu. Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, l’éprouvette de traction selon un aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : l’épaisseur de l’éprouvette de traction diminue progressivement des portions larges vers le tronçon discontinu de la portion étroite, chaque filament fondu du tronçon discontinu est éloigné transversalement du filament fondu adjacent d’une distance d1 supérieure ou égale à 0,2mm, la surface inférieure du tronçon discontinu est dans un plan médian P3 de chaque portion large, parallèle à leur surface inférieure, et chaque portion large présente une section transversale rectangulaire. L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures dans lesquelles : La représente schématiquement une vue en perspective centrale d’un exemple d’imprimante 3D réalisant une pièce par dépôt de couches successives de filaments fondus selon l’état de la technique ; La est une vue en perspective d’une éprouvette de traction selon l’état de la technique ; La représente schématiquement une vue de dessus d’une éprouvette de traction selon l’invention ; La représente schématiquement une vue partielle en perspective de l’éprouvette de traction selon la ; La représente schématiquement une vue de côté de l’éprouvette de traction de la . DESCRIPTION DETAILLEE Un exemple de réalisation d’un procédé de fabrication d’une éprouvette de traction selon l’invention et d’une éprouvette de traction obtenue par ce procédé de fabrication sont décrits en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Cet exemple illustre les caractéristiques et avantages de l'invention. Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique. Pour la compréhension de l'invention, on adoptera les orientations verticale, longitudinale et transversale selon le repère V, L, T indiqué aux figures et dont les axes longitudinal L et transversal T s’étendent dans un plan LT horizontal . L’axe vertical V s’étend selon l’épaisseur de l’éprouvette de traction, l’axe longitudinal s’étend selon la longueur de l’éprouvette et l’axe transversal s’étend selon la largeur de l’éprouvette. Par convention, l’axe longitudinal L est orienté d’une première portion large vers une deuxième portion large de l’éprouvette de traction selon l’invention. Les , 4 et 5 illustrent un exemple particulier d’une éprouvette de traction 10 selon l’invention comprenant : une première et une deuxième portions larges 16, 18 présentant une section transversale continue, et une portion étroite 20, longitudinale, s’étendant selon un axe de traction X parallèle à l’axe longitudinal L et reliant les premières et deuxièmes portions larges 16, 18. Les termes « large » et « étroit » ne sont pas dimensionnés ; ils sont définis par comparaison l’un de l’autre pour une même éprouvette. Ainsi, la portion étroite d’une éprouvette présente une dimension transversale (selon l’axe T) plus grande que les dimensions transversales des portions larges de ladite éprouvette, les dimensions transversales des portions larges étant ou non identiques. L’éprouvette de traction 10 est symétrique par rapport à un plan P1 parallèle au plan VL du repère VLT et comprenant l’axe de traction X et par rapport à un plan P2 parallèle au plan VT du repère VLT comprenant un axe Y perpendiculaire à l’axe de traction X et passant par le centre de l’éprouvette de traction 10. L’éprouvette de traction 10 est définie géométriquement par une surface inférieure 22 et une surface supérieure 24, séparées par une épaisseur e de l’éprouvette de traction. Plus particulièrement, l’épaisseur e de l’éprouvette de traction 10 varie de sorte que chaque portion large 16, 18 est définie par une épaisseur e1, la portion étroite 20 est définie par une épaisseur e2 et chaque portion de liaison 28, 30 est définie par une épaisseur e3. Tel que représente aux figures 3, 4 et 5, la portion étroite 20 est reliée à chacune des portions larges 16, 18 par une portion de liaison, respectivement 28 et 30. Chacune des portions de liaison 28, 30 présente une section transversale continue. La largeur de chaque portion de liaison 28 diminue progressivement de l’extrémité latérale adjacente à la portion large 16, 18 vers l’extrémité latérale adjacente au tronçon discontinu 26 de la portion étroite 20. Tel qu’illustré aux figures 3, 4 et 5, chaque portion de liaison 28, 30 comprend un bord transversal 32 qui peut former un arc de cercle. Selon l’exemple de réalisation illustré à la , chaque portion large 16, 18 présente une section transversale rectangulaire. La portion étroite 20, de section rectangulaire, comporte un tronçon discontinu 26 qui s’étend sur toute la largeur de ladite portion étroite 20. L’épaisseur e3 des portions de liaison 28, 30 diminue progressivement des portions larges 16, 18 vers le tronçon discontinu 26 de manière à uniformiser la géométrie de l’éprouvette de traction 10. Plus particulièrement, l’épaisseur e3 de chaque portion de liaison 28, 30, au niveau de l’extrémité latérale adjacente à la portion large 16, 18, est sensiblement égale à l’épaisseur e1 de chaque portion large 16, 18 ; et l’épaisseur e3 de chaque portion de liaison 28, 30, au niveau de l’extrémité latérale adjacente au tronçon discontinu 26 de la portion étroite 20, est sensiblement égale à l’épaisseur e2 de la portion étroite 20. Le tronçon discontinu 26 comprend une pluralité de filaments 14 fondus dissociés, appelés aussi des torons, qui s’étendent selon l’axe de traction X et qui sont agencées parallèlement les uns aux autres selon une direction transversale T, tous étant contenus dans un plan médian P3 parallèle au plan LT et comprenant l’axe de traction X. Au contraire, chaque plan parallèle au plan P1 ne contient qu’un seul et même filament 14 fondu. De plus, les filaments fondus 14 du tronçon discontinu 26 sont éloignés transversalement les uns des autres d’une distance d1 suffisamment grande pour éviter tout contact desdits filaments fondus 14 entre eux. Préférentiellement, la distance d1 est supérieure ou égale à 0,2 mm (millimètres). Le tronçon discontinu 26 de l’éprouvette de traction 10 selon l’invention présente donc une section transversale discontinue, en pointillés. Selon un exemple de réalisation tel qu’illustré aux figures 3, 4 et 5, le tronçon discontinu 26 s’étend sur toute la longueur de la portion étroite 20. Les extrémités de la portion étroite 20 définissent une première et deuxième jonctions 34, 36 avec le tronçon discontinu 26 dont l’épaisseur correspond sensiblement à l’épaisseur e2 d’un filament 14 fondu du tronçon discontinu 26 de la portion étroite 20. Selon un autre exemple de réalisation, non représenté, le tronçon discontinu 26 s’étend sur seulement une partie de la longueur de la portion étroite 20. Dans ce cas, la portion étroite 20 comprend une première et une deuxième parties dont la section transversale est continue et reliée, à une extrémité, aux première et deuxièmes portions larges 16, 18 et, à l’autre extrémité, au tronçon discontinu 26 définissant les première et deuxième jonctions 34, 36 et dont l’épaisseur correspond sensiblement à l’épaisseur e2 d’un filament 14 fondu du tronçon discontinu 26 de la portion étroite 20. Tel qu’illustré à la , l’éprouvette de traction 10 selon l’invention est réalisée par dépôt de couches 12 successives de filaments 14 fondus, selon une direction de dépôt Z parallèle à l’axe vertical V. Pour la réalisation de l’éprouvette de traction 10, à l’exception du tronçon discontinu 26 de la portion étroite 20, les filaments fondus 14 sont accolés et assemblés les uns aux autres de manière à former une couche 12 sur laquelle une nouvelle couche 12 est déposée de manière à former la géométrie de l’éprouvette 10. Avantageusement, la succession de couches 12 de filaments fondus 14 forme l’épaisseur e de l’éprouvette de traction 10. La première couche 12 forme la surface inférieure 22 et la dernière couche 12 forme la surface supérieure 24 de l’éprouvette de traction 10. Le tronçon discontinu 26 de l’éprouvette de traction 10 est réalisé en une seule couche 12 dans laquelle chaque filament 14 fondu s’étend selon l’axe de traction X et est éloigné transversalement d’un filament 14 fondu adjacent. Autrement dit, une seule couche de filaments14 fondus est déposée dans la zone de l’éprouvette de traction 10 destinée à former le tronçon discontinu 26, tandis que plusieurs couches 12 de filaments 14 fondus sont déposées les unes au-dessus des autres dans les autres zones de l’éprouvette de traction 10. Lors d’un essai de traction mécanique, prévu pour caractériser le matériau de l’éprouvette de traction 10, par exemple un polymère extrudé, la zone utile, c’est-à-dire la zone qui va être sollicitée mécaniquement, est la portion étroite 20 de l’éprouvette de traction 10, et plus particulièrement le tronçon discontinu 26. La zone utile de l’éprouvette de traction 10 selon l’invention est dépourvue de structure du fait de la séparation des filaments 14 fondus du tronçon discontinu 26 les uns par rapport aux autres. Par conséquent, lors d’un essai de traction, chaque filament 14 fondu est soumis à un effort de traction pure, évitant ainsi tout phénomène de cisaillement entre les filaments 14 fondus. De plus, le fait que les filaments 14 fondus sont séparés les uns par rapport aux autres d’une distance d1 permet de réaliser des essais significatifs sur la matière en tant que telle. Avantageusement, tel qu’illustré à la , la surface inférieure 22 du tronçon discontinu 26 est dans le plan médian P3 de chaque portion large 16, 18, parallèle à leur surface inférieure 22. Autrement dit, la seule couche 12 de filaments fondus du tronçon discontinu 26 est dans le prolongement de la couche 12 de filaments fondus intermédiaire situées dans le plan médian P3 de chaque portion large 16, 18. En outre, chaque portion large 16, 18 est symétrique suivant le plan médian P3, une telle caractéristique améliorant la faisabilité des essais en traction de l’éprouvette de traction 10. Selon un mode de réalisation préférentiel de l’invention, le procédé de fabrication utilisé pour la réalisation de l’éprouvette de traction selon l’invention met en œuvre la technologie de fabrication additive par dépôt de filaments fondus (DFF). Ce filament 14 fondu peut être un filament en polymère, par exemple en acide polylactique (PLA) ou en acrylonitrile butadiène styrène (ABS) ou encore en résine de type polyaryléthercétones (PAEK) ou de type polyétherimides (PEI). Le procédé de fabrication comporte les étapes suivantes : dépôt d’une première couche 12 de filaments 14 fondus sur un socle tel qu’un plateau 8, et dépôt d’une couche 12 supplémentaire de filament 14 fondu sur la couche précédente selon la direction verticale V, cette étape étant répétée jusqu’au dépôt de la dernière couche de filaments 14 fondus formant ainsi l’éprouvette de traction 10. L’utilisation de cette technologie pour la fabrication de l’éprouvette de traction 10 selon l’invention nécessite que la zone imprimée de chaque couche 12 de filament fondu, correspondant à un plan de section de l’éprouvette parallèle au plan LT, soit supportée par une couche 12 imprimée précédente. Le tronçon discontinu 26 de la portion étroite 20 est réalisé lors du dépôt d’une unique couche 12 de filaments fondus, le dépôt de couches successives étant limité aux portions larges 16, 18 et aux portions de liaison 28, 30. Plus particulièrement, le tronçon discontinu 26 est réalisé lors du dépôt de la couche 12 de filaments fondus médiane, ou intermédiaire, dans le plan médian P3 de chaque portion large 16, 18. Selon certains modes de réalisation, le dépôt successif de la première couche à la dernière couche 12 de filaments 14 fondus de l’éprouvette de traction 10, à l’exception de la couche 12 de filaments 14 fondus médiane, comprend le dépôt : de la première couche 12 de filaments 14 fondus des première et deuxième portions larges 16, 18, et de la première couche 12 de filaments 14 fondus d’un tronçon des première et deuxième portions de liaison 28, 30. Le dépôt successif de la couche 12 de filaments 14 fondus médiane de l’éprouvette de traction 10 comprend le dépôt : de couches 12 de filaments 14 fondus des première et deuxième portions larges 16, 18, de couches 12 de filaments fondus 14 des première et deuxième portions de liaison 28, 30, et de la seule couche 12 de filaments 14 du tronçon discontinu 26 de la portion étroite 20. Selon certains modes de réalisation, le procédé de fabrication comprend une étape de fabrication d’un matériau de support 40 utilisé pendant la fabrication de l’éprouvette de traction 10 afin de créer une structure de soutien pour supporter au moins les filaments fondus 14 du tronçon discontinu 26 de la portion étroite 20. Avantageusement, le matériau de support 40 est sous la forme de filaments fondus plus fins et généralement réalisés dans un matériau différent de celui-utilisé pour la fabrication de l’éprouvette de traction 10.Selon un exemple de réalisation représenté à la , le matériau de support 40 est situé en-dessous des filaments fondus 14 du tronçon discontinu 26 et en-dessous de chacune des première et deuxième portions de liaison 28, 30. Selon un autre exemple de réalisation, non représenté, le matériau de support 40 est situé en-dessous de l’éprouvette de traction 10 complète. Le procédé de fabrication d’une éprouvette de traction 10 selon l’invention offre une solution pour la caractérisation du comportement réel du matériau constituant l’éprouvette de traction 10. En effet, grâce à la dissociation des filaments 14 fondus du tronçon discontinu 26 les uns par rapport aux autres, le résultat d’un essai de traction réalisé sur une éprouvette de traction 10 selon l’invention n’est plus lié à la structure particulière de l’éprouvette de traction, c’est-à-dire à l’assemblage des filaments 14 fondus formant la pièce finale, mais seulement au matériau du filament 14 fondu. Par conséquent, l’utilisation d’une éprouvette de traction 10 selon l’invention pour les essais de traction permet d’obtenir une donnée représentative utilisable pour le dimensionnement des pièces à réaliser par dépôt de couches successives de filaments fondus. Procédé de fabrication d’une éprouvette de traction (10) par dépôt de couches (12) successives de filaments (14) fondus, comprenant une étape de réalisation d’un tronçon discontinu (26) de l’éprouvette de traction (10), en une seule couche, dans laquelle chaque filament (14) fondu s’étend selon un axe de traction (X) et est éloigné transversalement d’un filament (14) fondu adjacent. Procédé de fabrication d’une éprouvette de traction (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il met en œuvre la technologie de fabrication additive par dépôt de filaments fondus. Procédé de fabrication d’une éprouvette de traction (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la succession de couches (12) de filaments (14) fondus forme une épaisseur (e) de l’éprouvette de traction (10). Eprouvette de traction (10) comprenant : deux portions larges (16, 18), et une portion étroite (20) longitudinale s’étendant selon un axe de traction (X) et reliant les deux portions larges (16, 18), chaque portion (16, 18, 20) étant définie géométriquement par une surface inférieure (22) et une surface supérieure (24), séparées par une épaisseur (e1, e2), caractérisée en ce qu’elle est obtenue par le procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, et en ce que la portion étroite comporte un tronçon discontinu. Eprouvette de traction (10) selon la revendication 4, caractérisée en ce que l’épaisseur (e) de l’éprouvette de traction (10) diminue progressivement des portions larges (16, 18) vers le tronçon discontinu (26) de la portion étroite (20). Eprouvette de traction (10) selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que chaque filament fondu (14) du tronçon discontinu (26) est éloigné transversalement du filament fondu (14) adjacent d’une distance (d1) supérieure ou égale à 0,2mm. Eprouvette de traction (10) selon l’une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que la surface inférieure (22) du tronçon discontinu (26) est dans un plan médian (P3) de chaque portion large (16, 18), parallèle à leur surface inférieure (22). Eprouvette de traction (10) selon l’une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisée en ce que chaque portion large (16, 18) présente une section transversale rectangulaire.