La fabrication additive s'est rapidement imposée avec des imprimantes 3D utilisant des polymères pour créer un objet solide à partir d'un modèle de conception assistée par ordinateur. Les matériaux utilisés étaient des polymères soignés, parfaits pour un prototype rapide, mais pas couramment utilisés comme matériaux de structure.

Une nouvelle vague de fabrication additive utilise des composites polymères qui sont extrudés à partir d'une buse en tant que résine époxy, mais renforcé avec court, fibres de carbone coupées. Les fibres rendent le matériau plus résistant, un peu comme des barres d'armature dans un trottoir en ciment. L'objet résultant est beaucoup plus rigide et plus résistant qu'une résine seule.

La question qu'une récente étude de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign a posée pour répondre aux inquiétudes quant à la configuration ou au motif des fibres de carbone dans les couches de résine extrudée qui donneront le matériau le plus rigide.

Jean Lambros, Willett, professeur au Département de génie aérospatial et directeur du Laboratoire d'essai et d'évaluation des matériaux avancés de l'Université d'État de I, a été approché par un groupe de recherche en fabrication additive du Lawrence Livermore National Laboratory pour tester des pièces composites qu'ils avaient créées à l'aide d'une technique d'écriture directe à l'encre.

"Les fibres de carbone sont petites, environ sept microns de diamètre et 500 microns de longueur, " Lambros a déclaré. "C'est plus facile avec un microscope mais vous pouvez certainement voir un paquet à l'œil nu. Les fibres sont pour la plupart alignées dans la résine extrudée, qui est comme une colle qui maintient les fibres en place. Le groupe Lawrence Livermore a fourni les pièces, créé avec plusieurs configurations différentes et une faite sans aucune fibre incorporée comme contrôle. Une des pièces avait été théoriquement optimisée pour une rigidité maximale, mais le groupe voulait une corroboration expérimentale définitive du processus d'optimisation."

Lambros a déclaré qu'en attendant les échantillons composites fabriqués de manière additive, Lambros et son élève ont fabriqué leurs propres échantillons "factices" en plexiglas, et de cette façon pourrait commencer à tester les mannequins.

Dans ce cas, la forme testée était une chape—une petite, plaque de forme ovale avec deux trous servant à relier deux autres surfaces. Pour chaque forme d'échantillon différente, Le laboratoire de Lambros doit créer un dispositif de chargement unique pour le tester.

"Nous créons les stands, les poignées, et tout - comment ils seront peints, comment les caméras enregistreront les tests, etc, " Lambros a dit. "Quand nous avons eu les vrais échantillons, ils n'avaient pas exactement la même forme. L'épaisseur était un peu différente de nos plexiglas, nous avons donc fabriqué de nouvelles entretoises et nous l'avons finalement résolu. Du côté de la mécanique, nous devons être très prudents. Il est nécessaire d'utiliser la précision afin d'être sûr que toute certification éventuelle de pièces fabriquées de manière additive est effectuée correctement."

"Nous avons créé un cadre expérimental pour valider le modèle optimal du matériau composite renforcé de fibres courtes, " dit Lambros. " Alors que la machine de chargement tendait les plaques d'articulation de la chape nous avons utilisé une technique de corrélation d'images numériques pour mesurer le champ de déplacement à travers la surface de chaque échantillon en suivant le mouvement dans les valeurs d'intensité des pixels d'une série d'images numériques prises lorsque l'échantillon se déforme. Un motif de mouchetures aléatoires est appliqué à la surface de l'échantillon et sert à identifier des sous-ensembles d'images numériques d'une manière unique afin qu'ils puissent être suivis pendant la déformation. »

Ils ont testé un échantillon témoin et quatre configurations différentes, y compris celui censé être optimisé pour la rigidité, qui avait un motif de fibres ondulées plutôt qu'un orienté le long de lignes horizontales ou verticales.

"Chaque échantillon de plaque d'articulation de chape avait 12 couches dans une pile. La plaque optimisée avait des lignes de dépôt incurvées et des espaces entre elles, " dit Lambros. " Selon les prédictions du groupe Livermore, les lacunes sont là par conception, parce que vous n'avez pas besoin de plus de matériel que cela pour fournir la rigidité optimale. C'est ce que nous avons testé. Nous avons passé des broches de chargement à travers les trous, puis tiré chaque échantillon jusqu'au point de rupture, enregistrer la quantité de charge et le déplacement.

"La configuration qu'ils prévoyaient serait optimale, était en effet optimale. Le moins optimal était l'échantillon de contrôle, qui n'est que de la résine - comme on peut s'y attendre car il n'y a pas de fibres dedans. "

Lambros a déclaré qu'il existe une prémisse dans l'analyse selon laquelle il s'agit d'un optimum global, ce qui signifie qu'il s'agit du meilleur échantillon possible construit pour la rigidité, aucun autre modèle de construction n'est meilleur que celui-ci.

« Bien que nous n'ayons bien sûr testé que quatre configurations, il semble que la configuration optimisée soit la meilleure dans la pratique, car les configurations qui seraient le plus souvent utilisées dans la conception, tels que les alignements 0°-90° ou ±45°, étaient plus souples ou moins rigides que celui-ci, " Lambros a dit. " La chose intéressante que nous avons trouvée est que l'échantillon optimisé pour être le plus rigide s'est également avéré être le plus fort. Donc, si vous regardez où ils cassent, celui-ci est à la charge la plus élevée. C'était quelque peu inattendu dans le sens où ils n'avaient pas optimisé cette fonctionnalité. En réalité, l'échantillon optimisé était également un peu plus léger que les autres, donc si vous regardez une charge spécifique, la charge de rupture par unité de poids, c'est beaucoup plus haut. C'est un peu plus fort que les autres. Et pourquoi c'est le cas est quelque chose que nous allons étudier ensuite."

Lambros a déclaré qu'il pourrait y avoir plus de tests à l'avenir, mais pour l'instant, son équipe a démontré avec succès qu'elle pouvait fournir une validation pour la construction composite additive optimisée.