Il existe de nombreux matériaux résineux disponibles sur le marché, tous ayant des propriétés mécaniques et des prix différents. Contrairement au FDM, où le filament polymère est utilisé à partir d'un matériau connu possédant certaines propriétés mécaniques, le SLA, DLP et les imprimantes 3D LCD utilisent de la résine dont les propriétés mécaniques sont obtenues par la composition chimique de la résine. En raison de la différence de composition chimique de la résine, les propriétés mécaniques (caractéristiques du matériau) sont très importantes et permettront de comparer différentes résines. Les propriétés mécaniques peuvent vous aider à choisir la résine adaptée à votre application. Dans de nombreux cas, les fournisseurs de résines d’impression 3D fournissent un ensemble de propriétés mécaniques pour chaque matériau. Que signifient ces propriétés mécaniques et quel est leur rapport avec votre application ? Cet article donnera un aperçu de la signification des propriétés mécaniques et répondra aux questions concernant les propriétés des pièces en résine imprimées en 3D.
Pour expliquer la signification des propriétés mécaniques, l'exemple des données techniques (de la TDS) de Liqcreate Strong-X est discuté. Le tableau ci-dessous montre les données techniques de Liqcreate Strong-X:
Propriétés liquides de la résine d'impression 3D
La première partie des données techniques d'un matériau en dira plus sur les propriétés du liquide. L'apparence donnera plus d'informations sur la couleur et l'état physique du matériau. Dans le cas des résines, l'état physique doit toujours être liquide.
Quelles sont les valeurs Ec et Dp pour la résine imprimée en 3D ?
Tous Liqcreate Les résines sont des résines d'impression 3D durcissables aux UV, ce qui signifie qu'elles ont une réactivité spécifiée à la lumière. Cette réactivité contrôle le comportement de la résine dans l'imprimante. Les paramètres spécifiques concernant sa réactivité sont l'Énergie Critique (Ec) et la Profondeur de Pénétration (Dp), deux valeurs que l'on retrouve pour tous Liqcreate résine dans leur fiche technique correspondante. Ces deux propriétés sont des valeurs dérivées empiriquement basées sur des mesures effectuées à l’aide d’une imprimante 3D. Ces propriétés dépendent de la longueur d’onde !
La réactivité à la lumière est mesurée en exposant la résine à différentes doses d'énergie (exposition), dans la plupart des cas, elle est contrôlée en augmentant le temps d'exposition dans l'imprimante 3D. Ensuite, l'épaisseur de la couche de résine durcie est mesurée et tracée en fonction de l'apport d'énergie correspondant, comme le montre la figure ci-dessous.
Étant donné que la résine absorbera la lumière et utilisera une partie de l'énergie pour démarrer la réaction de polymérisation, la profondeur de polymérisation sera toujours finie, conduisant à une corrélation logarithmique entre l'exposition et la profondeur de polymérisation, une courbe typique est représentée dans la figure ci-dessus. [10]
La courbe (courbe de travail) est une représentation visuelle de la corrélation entre l'imprimante et la résine et sur cette base, une corrélation mathématique est dérivée, comme indiqué dans la formule 1 avec :
Cd = profondeur de durcissement [mm] (épaisseur de couche)
Dp = Profondeur de pénétration [mm] (pente de Cd vs LogExp)
Ec = Énergie critique [J/mm2] (la quantité minimale d'énergie requise pour former une couche solide)
Cd = Dp • In(Exp) + Ec
Et où Exp = exposition [J/m2], qui est une fonction du temps d'exposition calculé comme indiqué dans la formule 2, avec :
t = Temps [s] (durée d'éclairage)
Irr = Irradiance [W/m2] (puissance de la source lumineuse)
Exp = t • Irr
Jusqu'à présent, la partie technique concerne les propriétés de durcissement, mais comment ces paramètres décrivent-ils le comportement des résines dans une imprimante 3D d'un point de vue plus pratique ?
La profondeur de pénétration (Dp) montre la sensibilité du matériau aux changements de puissance lumineuse, ce qui signifie qu'un matériau avec un Dp inférieur a de meilleures performances lorsqu'il est soumis à des variations de temps d'exposition/puissance de la source lumineuse, tandis qu'un matériau avec un Dp plus élevé est plus performant. il s'agit plus probablement d'un matériau d'impression plus rapide, mais également plus sensible aux défaillances dues aux écarts de puissance lumineuse. Alors qu'il semble qu'une résine d'impression plus rapide soit préférable, une résine moins sensible est plus utile en pratique, en raison de la forte probabilité de changements dans le rendement lumineux dus au manque de nettoyage approprié et à la dégradation de la source lumineuse, en particulier pour DLP unités sans auto-étalonnage.
L'énergie critique (Ec) est une valeur pour la quantité minimale d'énergie requise pour former une couche solide et donc la quantité minimale d'énergie requise pour l'impression 3D.
Ces valeurs sont dérivées de mesures pratiques, ce qui signifie qu'elles peuvent varier lorsque les paramètres de la mesure sont modifiés, comme la température et la longueur d'onde.
Quelles autres propriétés du liquide sont importantes pour l’impression 3D en résine ?
La viscosité et la densité du matériau donneront des informations sur le liquide lui-même. Une viscosité plus élevée signifie une résine plus épaisse. Ceci a un effet sur le reflux de la résine et sur les mouvements de la plateforme. De plus, le nettoyage d’une pièce imprimée en résine en 3D est plus facile avec une résine moins visqueuse. Si vous connaissez le volume de votre modèle 3D et la densité du matériau que vous avez sélectionné, vous pouvez facilement calculer le poids de votre modèle imprimé en 3D.
Propriétés des polymères des pièces imprimées en 3D en résine
Après avoir pris connaissance des propriétés du liquide, les informations suivantes vous en diront plus sur les propriétés mécaniques du polymère. Les propriétés mécaniques sont des propriétés matérielles qui donnent un aperçu de la façon dont les matériaux se comportent sous des types spécifiques de contraintes mécaniques. De nombreux types de contraintes différents peuvent être appliqués pour déterminer les propriétés mécaniques, qui peuvent être généralement divisées en trois types les plus couramment utilisés dans l'industrie des polymères, à savoir la traction, la compression et les contraintes d'impact.
Résistance à la traction, module de jeune et allongement
Les essais de traction sont utilisés pour mesurer les performances d'un matériau sous une contrainte de tension linéaire, ce qui signifie en bref ce qui se passe si vous tirez sur le matériau (pièce en résine imprimée en 3D). Le test est effectué en appliquant une tension sur une éprouvette spécifiée, comme le montre la figure 1. On utilise généralement des éprouvettes en forme d'os de chien dans lesquelles les parties larges sont utilisées pour saisir l'éprouvette et les forces sont appliquées à la plus petite partie de l'éprouvette. .
Figure 1 : Test des propriétés mécaniques dans le sens de la traction.[1]
Dans ce test, le matériau est étiré jusqu'à ce qu'il se brise et pendant ce processus, la quantité de force est mesurée par rapport à la quantité de déformation appliquée à l'échantillon et tracée dans une courbe. Une courbe typique est illustrée à la figure 2. Ces courbes montrent le « comportement » des matériaux et sont utilisées pour déterminer une variété de propriétés mécaniques.
Figure 2 : Courbe contrainte-déformation typique pour les essais de traction avec A : mesure du module de traction ; B ; limite d'élasticité ; C : résistance à la traction et D : quantité maximale de déformation avant la rupture.[2]
Tous Liqcreate les matériaux sont ainsi testés pour déterminer les propriétés mécaniques suivantes :
- Résistance à la traction: La quantité de contrainte la plus élevée avant la rupture, mesurée comme le montre la figure 2. Cela signifie généralement qu'un matériau avec une résistance à la traction plus élevée peut supporter plus de force avant de se rompre.
- Allongement à la rupture: La quantité d'étirement du matériau en pourcentage de la longueur d'origine. Mesuré par la quantité totale de déformation avant la rupture.
- Module d'Young: Une mesure de la rigidité d'un matériau, un module plus élevé signifie un matériau plus rigide. Le module d'Young est mesuré en mesurant la relation entre la contrainte et la déformation (pente) dans la partie linéaire de la courbe.
Quel est le lien entre les propriétés mécaniques de traction et votre projet ?
En ce qui concerne le domaine d'application, les propriétés de traction montrent les caractéristiques de chaque matériau. En fonction de quoi, un choix peut être fait pour le matériau le plus approprié. Généralement, les matériaux fragiles présentent très peu de déformation mais peuvent supporter des niveaux de contrainte élevés, ce qui signifie que ces matériaux présentent très peu de déformation lorsqu'une contrainte est appliquée et conservent leur forme jusqu'à la rupture. Pour les matériaux plus souples/flexibles, cela montre que la quantité totale de contraintes qu'ils peuvent supporter est moindre car ils se déforment lorsqu'une contrainte est appliquée mais sont moins susceptibles de se casser lorsqu'une contrainte limitée est appliquée. Dans la plupart des matériaux, il s'agit d'un compromis entre résistance/module et allongement. Il est donc important de savoir quelle est l'influence de chacune de ces propriétés sur votre projet.
Figure 3 : Comportement de différents types de matériaux lors d'essais de traction.
Résistance à la flexion et module de flexion
La résistance à la flexion et le module de flexion sont généralement testés sur le même équipement d'essai que les propriétés de traction. Pour cet essai, un essai de flexion en 3 points est effectué. Un échantillon rectangulaire est placé sur deux points de fixation et une charge est appliquée entre ces points dans la direction opposée, une vue schématique est illustrée à la figure 4.
Figure 4 : Vue schématique du test de flexion en 3 points.[3]
La déformation de l'échantillon est mesurée par rapport à la force appliquée, conduisant à une courbe similaire à celle trouvée avec les essais de traction. La principale différence entre les essais de flexion et les essais de traction est que dans les essais de traction, une contrainte linéaire est appliquée et dans les essais de flexion, une combinaison entre les forces de traction et de compression est appliquée, montrant un comportement différent des matériaux. Ceci est illustré à la figure 4.
Figure 5 : Courbe de test de flexion type à gauche ; A droite) carte thermique de la contrainte appliquée lors d'un essai de flexion en 3 points où en vert le matériau est soumis à des forces de compression et en rouge l'échantillon est soumis à des forces de traction.[4]
Ce test est utilisé en général pour déterminer deux propriétés mécaniques :
- Résistance à la flexion: Force la plus élevée que le matériau peut supporter avant la rupture.
- Module de flexion: Une mesure de la rigidité du matériau, considérée comme un rapport entre la force appliquée et la déformation dans la région élastique.
Quel est le lien entre les propriétés de flexion et votre projet ?
La résistance à la flexion et le module de flexion peuvent être des propriétés importantes pour sélectionner un matériau pour votre projet, en particulier lorsque votre projet nécessite un matériau qui fonctionne bien sous les forces de compression. Matériaux à haute résistance et haut module comme Liqcreate Strong-X, avec une résistance à la flexion de 135 MPa et un module de flexion de 3,25 GPa ont d'excellentes performances sous tension. L'inconvénient de ces matériaux est souvent un allongement et un impact inférieurs à ceux des matériaux plus flexibles.
Que signifie la résistance aux chocs IZOD par rapport aux pièces imprimées en 3D ?
La mesure Izod Impact est une méthode de mesure de la résistance aux chocs d'un matériau. Dans ce test, une force d'impact est appliquée à un échantillon entaillé spécifié, comme le montre la figure 5 ci-dessous, la taille et la forme de l'échantillon varient pour différents types de matériaux, par exemple les plastiques, les céramiques ou les métaux. La force d'impact est appliquée par un marteau sur un pendule, où la force d'impact est déterminée par la hauteur de la chute, le poids du marteau et la longueur du pendule.[5] [6]
Figure 6 : Représentation schématique du test d'impact IZOD.
Dans le test Izod Impact, la quantité d'énergie appliquée par le marteau est connue et la quantité de force absorbée par le matériau est mesurée. Par conséquent, la résistance aux chocs est la méthode la plus couramment utilisée pour tester la ténacité d'un matériau en résine, car la ténacité est définie comme la capacité d'un matériau à absorber de l'énergie et à se déformer plastiquement avant la rupture.
Il existe de nombreux matériaux en résine disponibles et il est souvent difficile pour les utilisateurs d'identifier si une résine est utile pour leur projet. Par exemple, il existe des dizaines de résines "de type ABS", mais si vous examinez attentivement leurs propriétés, certaines propriétés telles que l'allongement ou la résistance correspondent au vrai plastique ABS. La propriété la plus importante, la résistance aux chocs, ne représente souvent que 10% de la résistance aux chocs de l'ABS.
Quelles sont les propriétés thermiques d'une pièce imprimée en 3D ?
Pour déterminer le comportement des matériaux face aux changements de température, divers tests thermiques peuvent être effectués. La principale propriété étudiée lors de ces tests est la température de transition vitreuse ou Tg. La Tg est une température définie à laquelle un matériau passe d'un état vitreux à un état caoutchouteux. Même si la Tg est toujours définie comme une température unique, la transition vitreuse se produit sur une plage de températures plus longue qui diffère pour chaque matériau.
Il existe différentes façons de mesurer la Tg, la méthode la plus couramment utilisée appliquée aux thermoplastiques est la calorimétrie différentielle à balayage (DSC). Pour les plastiques thermodurcissables, qui sont généralement toutes les résines d'impression 3D durcissables aux UV, l'analyse mécanique dynamique (DMA) est la plus couramment utilisée.
Mesure de Tg à l'aide de la méthode DSC
La calorimétrie différentielle à balayage est une technique thermo-analytique qui chauffe et refroidit des échantillons à une vitesse spécifiée et mesure la quantité d'énergie requise pour les changements de température. Tout changement de phase dans un échantillon coûtera ou produira de l'énergie montrant une différence dans la quantité d'énergie requise pour chauffer le système. L'énergie consommée est ensuite tracée en fonction de la température montrant tous les changements exothermiques et endothermiques qui se produisent.
Mesure de la Tg à l'aide de la méthode DMA
Généralement, le matériau de résine d'impression 3D est un polymère réticulé et ne présente donc que de légers changements thermiques pendant la transition vitreuse, ce qui rend difficile la mesure de la Tg à l'aide de la DSC. Comme alternative, l'analyse mécanique dynamique peut être utilisée. DMA utilise des mesures mécaniques et trace les données en fonction de la température. De nombreuses mesures différentes peuvent être utilisées comme la compression, la traction, la flexion ou la contrainte de cisaillement. La contrainte est appliquée à plusieurs reprises et pour chaque mesure, un module est mesuré tandis que des changements de température sont appliqués. Une courbe DMA typique est illustrée à la figure 6. La région dans laquelle le module chute soudainement est considérée comme la transition vitreuse.[7]
Figure 7 : Perte et module de stockage du matériau réticulé lors d'une mesure DMA.
Température de déflexion thermique (HDT)
La température de déformation thermique est la température à laquelle un matériau se déforme sous une charge spécifiée. Ce test est effectué dans une configuration de flexion en 3 points, comme le montre la figure 7. L'échantillon de barre de test en résine imprimée en 3D est soumis à une force constante de 0.455 MPa ou 1.82 MPa, auquel point la température augmente à un taux spécifié. de 2°C/min. La température à laquelle une déformation de 0.25 mm est mesurée est appelée HDT.
Même si le résultat du test n'est pas directement applicable, il est principalement utilisé comme outil de comparaison universel pour vérifier les performances thermiques de différents matériaux.[8]
Figure 8 : Représentation schématique du test de température de déflexion thermique.
Que signifie dureté Shore D ?
La dureté Shore D est un test simple qui mesure la résistance d'un matériau à l'indentation en surface. Ce test est effectué en enfonçant une aiguille spécifiée avec une force spécifiée dans la surface du matériau de test. Ce test est principalement utilisé dans l'industrie du caoutchouc et donne une indication sur la rigidité du caoutchouc ou de la résine imprimée en 3D. Dans l'industrie du plastique, ce test n'est pas très intéressant, car les valeurs Shore ne montrent aucune corrélation directe avec les propriétés mécaniques et sont simplement utilisées comme méthode simple et rapide de contrôle qualité. Tous les matériaux durs se situent dans la région d'un Shore D de 80 à 90. La figure 9 montre un aperçu de l'échelle de dureté Shore A et Shore D avec des exemples.[9]. Par rapport au Liqcreate TDS de Strong-X, avec un Shore D de 87, il est classé comme un matériau dur, au même titre que tous les autres matériaux rigides. Liqcreate matériaux avec un Shore D de ~82.
Figure 9 : Échelle de dureté Shore A et Shore D avec exemples de matériaux.[7]
Comment l'absorption d'eau est-elle mesurée et comment cela affecte-t-il votre projet ?
L'absorption d'eau est mesurée selon la norme ASTM D570-98. Cette méthode de test du taux d’absorption d’eau sert de guide pour déterminer la proportion d’eau absorbée par un matériau ou une pièce en résine imprimée en 3D. Lors du test, la résine de test est imprimée en 3D sous la forme d'un disque de 50.8 mm de diamètre et 3.2 mm d'épaisseur. Le poids du matériau est enregistré avant et après 24 heures d'immersion dans de l'eau déminéralisée à 23 degrés Celsius.
L'absorption d'eau peut avoir une grande influence sur la pièce en résine imprimée en 3D lorsqu'elle est utilisée dans un environnement humide ou mouillé. En général, les propriétés mécaniques diminuent lorsqu'un matériau polymère est entièrement saturé d'eau et le matériau en résine polymère peut gonfler lorsqu'il a une absorption d'eau élevée. Il est important de sélectionner une résine à faible absorption d'eau, comme Liqcreate Strong-X or Deep Blue lors de l’utilisation de pièces en résine imprimées en 3D dans ces conditions.
[1] http://www.matweb.com/reference/tensilestrength.aspx
[3] www.subtech.com
[4] https://www.fictiv.com/hwg/design/engineering-fundamentals-refresh-strength-vs-stiffness-vs-hardness
[6]
[9] https://www.smooth-on.com/page/durometer-shore-hardness-scale/
[10] https://www.radtech2017.com/wp-content/uploads/2017/11/92Bonhoure.pdf
