Conception d'optimisation de la concentration des contraintes et amélioration de la durée de vie en fatigue des pièces imprimées en 3D

Le concept et les dangers de la concentration de contraintes

La concentration de contraintes fait référence au phénomène selon lequel la contrainte locale lors de changements brusques de la forme géométrique de la pièce (telles que des trous, des encoches, des marches, des chanfreins, etc.) est beaucoup plus élevée que la contrainte nominale. Le degré de concentration des contraintes est exprimé par le coefficient de concentration des contraintes, qui est défini comme le rapport entre la contrainte locale maximale et la contrainte nominale. La concentration de contraintes est l’une des principales causes de défaillance prématurée des pièces. En particulier sous des charges de fatigue, les zones de concentration de contraintes deviennent souvent des points d'initiation de fissures. En raison de la structure en couches et de l’anisotropie du matériau, les pièces imprimées en 3D sont plus sensibles à la concentration de contraintes et nécessitent une attention particulière lors de la conception.

Identification des emplacements courants de concentration de contraintes

Les emplacements courants de concentration de contraintes dans la conception comprennent : les bords des trous, en particulier les bords des trous ronds, où le coefficient de concentration de contraintes peut atteindre 2-3. Aux étapes et aux mutations transversales, des transitions brusques augmenteront considérablement la concentration de contraintes. Encoches et rainures, telles que rainures de clavette, rainures d'encliquetage, etc. La concentration de contraintes au niveau de la racine du filetage et du bas de la dent est évidente. Coins avec chanfreins et congés insuffisants. Coins et bords tranchants. L'analyse par éléments finis doit être utilisée pour identifier ces emplacements lors de la conception, en particulier les discontinuités géométriques le long du chemin de transfert de charge.

Stratégie de conception d'optimisation de la concentration des contraintes

La stratégie principale pour réduire la concentration des contraintes consiste à rendre la transition géométrique plus douce. La première consiste à remplacer les angles vifs par des angles arrondis. Plus le rayon du coin arrondi est grand, plus le coefficient de concentration des contraintes est faible. Il est recommandé que le rayon des coins arrondis ne soit pas inférieur à 10 à 20 % de l'épaisseur du mur. La seconde consiste à utiliser la transition effilée pour transformer la mutation de la section transversale en une transition effilée afin de réduire la discontinuité géométrique. La troisième consiste à augmenter l'épaisseur locale, à augmenter l'épaisseur du matériau dans les zones de concentration de contraintes et à réduire la contrainte nominale. La quatrième consiste à utiliser des trous réduisant les contraintes et à ajouter de petits trous à proximité des trous principaux pour disperser les contraintes. La cinquième consiste à optimiser la conception du support pour éviter les points de concentration de contraintes laissés par le retrait du support. La sixième consiste à ajuster la direction d'impression de sorte que la direction de la contrainte soit cohérente avec la direction de liaison intercouche.

Prédiction et vérification de la durée de vie en fatigue

La prédiction de la durée de vie en fatigue des pièces imprimées en 3D doit prendre en compte l'anisotropie du matériau et les défauts de fabrication. Les méthodes de prévision de la durée de vie en fatigue couramment utilisées comprennent : La méthode de la courbe S-N, qui prédit la durée de vie en fatigue sous une amplitude de contrainte donnée sur la base des données d'essais de fatigue des matériaux. Méthode de durée de vie, adaptée à la fatigue à faible cycle. Méthode de mécanique de la rupture, considérant la propagation des fissures des défauts initiaux. Analyse de fatigue par éléments finis, combinant l'analyse des contraintes et les données sur les matériaux pour la prévision de la durée de vie. Le test de vérification doit simuler les conditions de charge réelles, le nombre d'échantillons de test doit être suffisant (généralement 5 à 10 par groupe) et la répartition de la durée de vie doit être analysée statistiquement.

Mesures globales pour améliorer la durée de vie en fatigue

Pour améliorer la durée de vie en fatigue des pièces imprimées en 3D, nous devons partir de nombreux aspects de la conception, du processus et du post-traitement. En termes de conception, les éléments géométriques pointus sont évités, de grands coins arrondis et des transitions douces sont utilisés pour optimiser la répartition de la charge. En termes de processus, sélectionnez les paramètres d'impression appropriés pour garantir la qualité de la liaison inter-couches, réduire les pores et les défauts et mener des expériences d'optimisation des processus si nécessaire. En termes de post-traitement, un polissage de surface est effectué pour éliminer les défauts de surface, un grenaillage est effectué pour introduire une contrainte de compression de surface et un traitement thermique est effectué pour éliminer les contraintes internes. En termes de choix des matériaux, la priorité est donnée aux matériaux présentant de bonnes propriétés en fatigue, comme les résines techniques, le nylon, les métaux, etc.