Pièces aérospatiales issues de la fabrication additive : pourquoi les essais de rupture sont importants
Les essais de rupture et la certification sont essentiels pour comprendre l’impact des défauts et de l’anisotropie résultant de la fabrication additive
Écrit par : Rebecca Reiff-Musgrove
Les composants aérospatiaux défaillent rarement par simple surcharge. Au lieu de cela, des fissures s’amorcent au niveau de petits défauts et se propagent sous les charges de service jusqu’à ce que la rupture se produise. Alors que la fabrication additive (FA) métallique poursuit sa transition du développement vers des applications aérospatiales critiques pour le vol, il est essentiel de comprendre comment les matériaux issus de la fabrication additive se comportent en présence de défauts pour une adoption en toute sécurité.
Pourquoi le comportement à la rupture est important dans la fabrication additive aérospatiale
La fabrication additive métallique introduit des caractéristiques qui influencent fortement la ténacité à la rupture :
- Porosité interne et défauts de manque de fusion qui agissent comme des amorces de fissures
- Contraintes résiduelles dues aux gradients thermiques élevés pendant la fabrication
- Microstructures hétérogènes entraînées par une solidification rapide
- Anisotropie, avec des propriétés variant selon l’orientation de la fabrication
Même lorsque la résistance statique est comparable à celle d’un matériau corroyé, la ténacité à la rupture peut être plus faible ou fortement directionnelle. Les essais de ténacité à la rupture et de propagation de fissures fournissent les données nécessaires pour quantifier la tolérance aux dommages et définir des limites de fonctionnement sûres.
Défis d’essais propres à la fabrication additive
Les essais de rupture sur les matériaux issus de la fabrication additive présentent plusieurs défis. Les éprouvettes sont souvent de taille réduite en raison du coût des matériaux et des volumes de fabrication limités. La résistance à la fissuration peut varier considérablement selon l’orientation, ce qui rend l’alignement et le contrôle de la charge critiques. De plus, les matériaux imprimés en 3D présentent généralement une plus grande dispersion des données, entraînée par la variabilité de la taille, de l’emplacement et de la morphologie des défauts.
Réaliser des essais selon des normes internationales strictes peut également s’avérer difficile lors de l’utilisation de nouvelles méthodes de fabrication. Les matériaux à haute rigidité et comparativement « fragiles » tels que les alliages d’aluminium et de titane peuvent présenter un comportement élastique linéaire légèrement réduit avec la fabrication additive, ce qui peut remettre en cause la validité des évaluations traditionnelles de la ténacité à la rupture selon l’ASTM E399. Ceci est accentué par le fait que les petites éprouvettes repoussent souvent les limites des exigences dimensionnelles.
À l’inverse, des matériaux tels que les alliages d’acier à haute résistance peuvent présenter une ductilité inférieure à celle de leurs équivalents fabriqués de manière conventionnelle. Cette réduction est susceptible d’être préjudiciable dans les essais de base de mesure de l’ouverture en pointe de fissure (CTOD) tels que l’ISO 12135, bien que son effet soit moins clair dans les méthodes qui évaluent l’amorçage des fissures ou la résistance au déchirement, comme les mesures JIc utilisant généralement l’ASTM E1820.
La propagation des fissures par fatigue est un autre domaine d’intérêt majeur, mais elle est intrinsèquement plus complexe à évaluer. Les différences par rapport aux matériaux produits de manière conventionnelle peuvent être plus prononcées, et les résultats sont systématiquement sensibles aux contraintes résiduelles introduites lors du processus de fabrication.
Ces facteurs exigent des systèmes d’essais de rupture dotés d’une excellente résolution en force et en déplacement, d’un contrôle précis de l’alignement et d’une répétabilité élevée pour garantir que le comportement mesuré reflète le matériau et non la configuration de l’essai.
Comment Instron soutient les essais de rupture
Instron® possède des décennies d’expérience dans le soutien aux essais de rupture et de tolérance aux dommages pour les applications aérospatiales. Nos systèmes d’essais, combinés au logiciel Bluehill® Fracture, sont conçus pour répondre aux exigences de précision, de stabilité et d’analyse de données des essais de mécanique de la rupture, de la sélection initiale des matériaux aux programmes axés sur la certification.
Les systèmes Instron permettent aux ingénieurs de l’aérospatiale de :
- Réaliser des essais fiables de ténacité à la rupture et de propagation de fissures sur des métaux issus de la fabrication additive en utilisant des flux de travail intégrés et conformes aux normes
- Tester avec précision des éprouvettes de taille réduite et des géométries complexes grâce aux outils automatisés de conformité, de longueur de fissure et de réduction de données fournis par Bluehill Fracture
- Maintenir un alignement précis et une fidélité de mesure pour les matériaux hautement anisotropes
- Générer des données de rupture et des rapports répétables et défendables avec des vérifications de validité intégrées adaptées aux soumissions réglementaires et de certification
Conclusion
La fabrication additive offre des avantages significatifs pour l’aérospatiale, mais le comportement à la rupture reste un défi majeur. En combinant des essais de rupture soigneusement conçus avec des systèmes d’essais précis et répétables, les organisations aérospatiales peuvent qualifier en toute confiance les composants issus de la fabrication additive pour une utilisation critique en matière de sécurité. Avec Instron, les ingénieurs obtiennent des données de rupture fiables pour porter des conceptions innovantes de la plateforme de fabrication au vol.
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Rebecca Reiff-Musgrove
Rebecca Reiff-Musgrove est responsable du développement commercial pour ElectroPuls® chez Instron. Son parcours comprend un MSci de l’Université de Cambridge axé sur les propriétés de surface des pièces issues de la fabrication additive, ainsi que des rôles précédents dans les essais de matériaux pour l’industrie de la fabrication additive. Chez Instron, elle a occupé divers postes techniques et commerciaux, lui conférant une compréhension approfondie de la technologie et des défis clients qu’elle permet de relever.