Cet article décrit l'utilisation d'un système automatique de perçage destiné à la mesure des contraintes résiduelles sur les structures polymères. Un nouvel accessoire a été développé pour le système de mesure automatique Restan MTS3000 qui se compose essentiellement d'un moteur électrique très petite vitesse et d'un système de contrôle électronique.

1. Introduction

Au cours de ces cinquante dernières années, l'industrie des plastiques s'est considérablement développée, surpassant même l'industrie sidérurgique sur le plan applications techniques. Cela a apporté de nouvelles substances synthétiques remplaçant progressivement les matériaux traditionnels et une révision formelle des structures, des formes ergonomiques et des processus de fabrication.

Les raisons qui font que l’utilisation de ces matériaux devient si répandue sont essentiellement le fait qu'ils sont bon marché, légers, faciles à travailler et qu’il est possible de concevoir les propriétés mécaniques désirées. Une caractérisation mécanique de plus en plus précise et détaillée est donc nécessaire et c'est dans ce contexte que le besoin se fait sentir de connaitre  et d’étudier la valeur des contraintes résiduelles induites par les processus d’usinage dans ces matériaux.

Ainsi pendant le moulage par injection des polymères, l'écoulement du flux de plastique, la bonne répartition de la pression, le champ de température non-uniforme et la distribution de densité occasionnent des contraintes résiduelles. Ces contraintes affectent les propriétés mécaniques des pièces en plastique, ce qui peut changer la forme finale et réduire l'espérance de vie du produit de manière significative, tout en augmentant la probabilité d’une instabilité dimensionnelle et d’un environnement à fissurations. Bien que des contraintes résiduelles soient généralement trouvées dans les plastiques, il peut être difficile de prévoir leur grandeur, car elle dépende d'un nombre important de variables comme la conception du moule, les paramètres du matériau et le processus de fabrication. En conséquence, il est important de disposer d'une technique fiable permettant d’évaluer les contraintes à l’intérieur des composants en plastique.

La méthode du trou à partir de jauges de contrainte permet de mesurer les contraintes résiduelles pour un grand nombre de plastiques moulés. Cette méthode a l’énorme avantage que les mesures peuvent être faites sur une plus petite zone. Une jauge de contrainte spécifique du type rosette est collée sur la surface de la structure et un trou est alors percé avec précision au travers du centre de la rosette. Les contraintes mesurées sur la surface correspondent aux contraintes relâchées pendant le processus de perçage. En utilisant les contraintes mesurées et les modèles appropriés (ASTM E837), il est possible de calculer les contraintes le long des deux axes principaux et de déterminer leur direction.

2. Système de mesure

Fig 1 : a) Système MTS3000 modifié pour la mesure des contraintes résiduelles sur les matières plastiques
b) Outil de perçage spécialement conçu
c) Fraise à 2 tranchants

L'installation mécanique du système de perçage est montrée dans la figure 1a. Elle représente l’ensemble Restan - MTS 3000 développé par SINT Technology et mis sur le marché en collaboration avec HBM.

La figure 1b montre l'outil de perçage particulièrement conçu à cet effet et qui permet d'usiné les trous en dessous de 200 tr/mn. Localement, cette vitesse réduit au minimum l’échauffement et permet de mesurer correctement les contraintes résiduelles induites dans le matériau. L'outil de coupe est présenté dans la figure 1c. C'est une fraise hélicoïdale à deux tranchants, perpendiculaires aux sens d’avancement, le diamètre est de 1.6 mm. Cette forme d'outil permet de réaliser un trou parfait.

Le système de perçage est commandé et contrôlé automatiquement par le boitier électronique et le logiciel de contrôle et de gestion du perçage, ainsi, le processus est entièrement automatisé. L'appareillage de mesure entier peut être télécommandé : cette option est recommandée car elle permet de s’affranchir des influences extérieures occasionnées par l'opérateur pendant le procédé de mesure.

La figure 2 montre une jauge de contrainte pré-câblée de type rosette à trois grilles de mesure, qui est recommandée pour ces essais car non seulement elle est plus rapide à installer mais aussi aucune chaleur ne sera produite par la soudure des fils. Les contraintes résiduelles présentes dans le composant sont alors déterminées à partir des déformations enregistrées par les grilles de la jauge métallique disposée à la surface du composant.

Les données acquises sont traitées en employant une version spéciale du logiciel EVAL de SINT Technology, spécialement dédié au traitement des contraintes sur les matières plastiques. Cette version met en pratique une interpolation polynômiale optimisée des contraintes mesurées. Les mesures de contrainte sont traitées conformément aux dispositions de la norme ASTM E837

Fig 2 :Rosette pré-câblée HBM réf K-RY61-1.5/120R-3

 

 

3. Procédure d'essais

Concernant les matières plastiques, les opérations principales à effectuer, s'appliquant à la méthode du trou à partir de jauges de contrainte sur matières plastiques, sont décrites ci-dessous.

  • Nettoyer la surface avec un produit de nettoyage approprié pour enlever toute saleté qui peut empêcher les jauges de coller sur la surface du polymère.
  • Coller les jauges de contrainte sur la surface en employant un adhésif qui n'a aucune influence sur les propriétés du matériau. Une colle de type cyanoacrylate convient à de nombreuses applications.
  • Utiliser les rosettes pré-câblées autant que possible. Elles permettent de s’affranchir des effets de chaleur générés par la soudure des fils qui pourraient aussi créer des contraintes résiduelles dans le polymère. Si cela n'est pas possible, il est recommandé d'utiliser un support et de réduire au minimum le temps de soudure.
  • Fixer le système de perçage sur la pièce et s'assurer que l'axe de perçage est perpendiculaire à la surface.
  • A l’aide du microscope optique, aligner parfaitement le viseur au centre de la rosette.
  • Remplacer le microscope par l'ensemble outil-fraise de perçage ceci avec précision au centre de la rosette.
  • Mettre en place la bande conductrice, sur la jauge de contrainte en faisant attention de ne pas couvrir toutes les inscriptions de référence.
  • Avancer l'outil de perçage jusqu'à ce qu'il atteigne la surface de la bande conductrice. Le contact est fait une fois qu'il aura touché cette bande conductrice. Ce point correspond au point « zéro » profondeur.
  • Enregistrer les mesures sur chaque grilles avec la fraise en contact avec la surface, après avoir attendu suffisamment de temps pour permettre au signal de se stabiliser (temps de délai).
  • Régler la vitesse d’avance établie, la profondeur maximum, le nombre de pas de perçage et le temps de temporisation dans le système automatique. Les trous sont habituellement réalisés avec des incréments de profondeur d’environ 0.05 mm conformément aux dispositions de la norme ASTM E837.
  • Les trois lectures de la jauge de contrainte et la profondeur du trou sont enregistrées à chaque pas de perçage.
  • Remplacer le système de perçage par le microscope et mesurer le diamètre du trou et son excentricité, en effectuant quatre translations selon les deux axes perpendiculaires.

 

 

3.1 Préparation de la surface et collage

La compatibilité chimique de chaque matière plastique avec les dissolvants et les adhésifs utilisés pour l'installation des jauges doit être analysée et prise en compte. Les produits de collage, peu convenables, peuvent réellement perturber l'installation de la jauge de contrainte ou même endommager la structure elle-même. Une méthode de traitement extérieur mécanique de la surface est conseillée pour nettoyer la surface.

Purement à titre d'exemple, le tableau 1 indique les conditions pour installer correctement une jauge de contrainte sur une matière plastique.

Tableau 1 : Préparation pour installer les jauges de contrainte sur une matière plastique

3.2 Détermination du contact profondeur (point zéro)

La détermination du départ de la profondeur est une clé essentielle pour une mesure correcte des contraintes résiduelles par la méthode du trou.

Pour des matériaux métalliques, ce point est déterminé par un contact électrique. Entièrement automatisé, le système MTS3000 arrête la fraise dès qu’elle atteint la surface de la structure après avoir transpercé la couche polyamide de la rosette.

En sachant que sur les matières plastiques, le point zéro absolu ne peut pas être déterminé simplement par un contact électrique, ces matières ne permettant pas la conductivité électrique. Néanmoins, quelques pratiques peuvent être employées pour déterminer ce point « zéro ».

Principalement, il est possible d'utiliser l'une ou l'autre de ces méthodes :

  • Détermination manuelle du « zéro » profondeur, en arrêtant la descente de la fraise quand celle-ci commence à usiner le plastique (fig 3, à gauche) ou bien
  • Utilisation d'un ruban adhésif en aluminium spécial de sorte à déterminer automatiquement le « zéro » profondeur. Une fois le point « zéro » déterminé, il est nécessaire de transcrire cela en une distance égale à la somme des épaisseurs de la rosette de jauge de contrainte et de la bande en aluminium. (fig 3, à droite).
Fig 3 : Moyens de détection du départ de profondeur de perçage.

4. Détermination des paramètres de fonctionnement

Dans le cas des matières plastiques, la mesure de contraintes résiduelles par la méthode du trou implique des aspects très différents de ceux appliqués aux matières métalliques. Pour les plastiques, le module d'élasticité est inférieur et les contraintes mesurées sont beaucoup plus élevées, lorsqu’on applique la même charge. Le matériau est également plus sensible à l'opération d'enlèvement de matière. La vitesse de coupe, la vitesse d’avance et la durée de temporisation doivent être convenablement choisies.

4.1 Vitesse de rotation

La vitesse de rotation de la fraise est assurément un des paramètres qui a la plus grande part d’influence sur la mesure des contraintes résiduelles en ce qui concerne les matières plastiques avec cette méthode du trou. Le perçage grande vitesse à l'aide d'une turbine à air, qui est la technique normalement employée pour mesurer des contraintes résiduelles dans les matériaux en métal, ne peut pas être appliquée ici, car la chaleur produite par l’usinage ferait fondre la matière plastique et augmenterait considérablement la température dans les zones où sont placées les jauges.

À titre d'exemple, la figure 4a nous montre un trou réalisé dans une matière plastique avec le système de perçage grande vitesse équipé d'une turbine à air : la fonte du plastique autour des bords du trou est clairement visible. Le fait d’abaisser la pression de l’air comprimé et par conséquence de ralentir la vitesse de la turbine ne peut que réduire seulement cet effet mais ne peut certainement pas l'éliminer.

La vitesse de coupe doit donc être très basse. Dans la figure 4b on peut voir la qualité d'un trou fait avec le système de perçage à vitesse réduite (en-dessous de 200 t/mn), conçu spécialement pour mesurer les contraintes résiduelles dans les matières plastiques.

Fig 4 : a)Trou réalisé avec une turbine alimentée en air comprimé à une pression de 4 bars
b) Trou usiné avec un moteur électrique à vitesse réduite
c) Jauge de contrainte utilisée pendant le perçage

4.2 Vitesse d’avance

Comme les matières plastiques sont extrêmement sensibles aux contraintes mécaniques, divers essais expérimentaux de perçage ont été effectués afin de déterminer la vitesse d’avance optimale.

Les résultats d'essai ont démontré que l'outil de perçage doit être avancé plus lentement de manière à réduire la durée d’instabilité après perçage. La réduction de la vitesse d’avance signifie une augmentation du temps pris pour la mesure des contraintes résiduelles : le bon compromis entre ces deux aspects nécessite de déterminer la vitesse optimale d'usinage des trous dans les matières plastiques.

Le tableau 2 montre le temps nécessaire au perçage et le temps moyen de stabilisation pour chaque vitesse d’avance analysée : le meilleur compromis est réalisé avec une vitesse d’avance de 0.1 mm/min.

Tableau 2. Temps requis pour mesurer les contraintes résiduelles dans les matières plastiques.

4.3 Choix de durée de temporisation

Les durées de temporisation permettent la lecture des contraintes quand la structure retourne à un état d'équilibre thermique et mécanique après le perçage du trou. L'essai a prouvé que l'équilibre thermique, qui est affecté par ce processus de perçage, est atteint en très peu de secondes. 

Pour évaluer le temps nécessaire à la structure pour atteindre l'équilibre mécanique, il a été nécessaire de mesurer la tendance des contraintes durant toutes les étapes entières du perçage de la matière plastique.

En utilisant l'amplificateur QuantumX et le logiciel de mesure catman produits par HBM, il a donc été possible de mesurer la tendance des contraintes mesurées pendant l'opération complète de perçage : les résultats, présentés dans la figure 5, montrent que le système est mécaniquement instable pendant le processus de perçage et qu'il est nécessaire d'attendre approximativement 90 secondes avant de revenir à une stabilité. Avec une durée de temporisation suffisante, on peut observer les courbes habituelles de la contrainte en fonction de la profondeur pour chaque grille de la jauge. Les courbes se réfèrent à des essais avec une vitesse d’avance de 0.2 mm/min.

Les mêmes essais expérimentaux ont été répétés également pendant le perçage de matériaux en métal (acier et aluminium : les résultats ont montré un comportement du système mais avec un temps de stabilisation plus rapide (3 à 5 secondes). Dans les figures 6 et 7 nous pouvons observer en détail les tendances de contrainte dans un matériau en métal (acier) et en plastique (polycarbonate).

Fig 5 : A gauche, acquisition des contraintes en fonction du temps. A droite, contraintes en fonction de la profondeur de perçage.

4.4 Vérification de la variation de température sur composant en plastique

Une fois le système de perçage conçu, la température sur le composant en plastique (polycarbonate) a été mesurée, pendant le processus de perçage. Un trou 2 mm de profondeur a été usiné et la température de la structure a été enregistrée avec un thermocouple type K, installé à la même distance du trou que les grilles de la jauge de contrainte et placé en face de la grille n°2 (ou B).

La figure 8 représente la température par rapport à la profondeur du trou. Pour l’essai, la durée de temporisation entre les pas de perçage a été réglée à 20 secondes et la vitesse d’avance à 0.2 mm/min (vitesse standard pour des essais sur des matériaux en métal tels que l'acier).

Les résultats démontrent que l'outil de perçage ne produit pas d’échauffement excessif sur les grilles de la jauge. La variation de température maximale enregistrée à la fin du perçage  se situe en dessous de 1°C.

En outre, pendant la durée de temporisation on peut observer une réduction rapide de la température du composant et un retour à la température initiale. En fait, après 20 secondes, il est évident que la température atteint les valeurs initiales : la variation maximum mesurée par rapport à la température initiale est de 0.24°C.

Fig 6 : Tendance de la contrainte pendant le perçage d’un matériau métallique.
Fig 7 : Tendance de la contrainte pendant le perçage d’une matière plastique.
Fig 8 : A gauche, tendances mesurées de la température. A droite, variations maximale de température mesurées à chaque intervalle.
Fig 9 : Positions des points de mesure du test mené sur un polycarbonate.
Fig 10 : Etapes de perçage durant l'essai sur polycarbonate.

5. Essais effectués et résultats obtenus

Un composant en plastique d'un appareil ménager électrique construit en polycarbonate a été testé.

Lors de l'essai, les conditions suivantes ont été adoptées pour le réglage du système de mesure automatique :

  • Profondeur maximum : 2 mm
  • Pas de perçage : 0.05 mm
  • Nombre de pas : 40
  • Type de pas : linéaire
  • Vitesse d’avance : 0.1 mm/min
  • Durée de temporisation : 90s
  • Jauge de contrainte HBM type Rosette : K-RY61-1.5/120R-3, pré-câblée et raccordement 3 fils
  • Amplificateur pour jauges de contrainte HBM : Spider 8.30

Trois points de mesure ont été équipés. Le positionnement est montré dans la figure 9 et deux étapes de perçage sont présentées en figure 10.

À titre d'exemple, la figure 11 donne les résultats obtenus pour la mesure des contraintes résiduelles au point n°1. Les graphiques montrent la tendance des contraintes, les contraintes principales et l’angle alpha, données mesurées selon les dispositions de la norme ASTM E837. Des résultats similaires ont été obtenus sur les autres points de mesure mais ne vous sont pas fournis uniquement pour une raison de brièveté.

 

 

 

Fig 11a : Contraintes Fig 11b : Essais d'uniformité (ASTM E837-08)
Fig 11c : Contraintes principales et contrainte idéale Fig 11d : Angle Alpha en fonction de la profondeur

6. Conclusions

En mesure de contraintes résiduelles sur les matières plastiques, un système automatique  a nettement prouvé l'importance de son utilisation pour réaliser des mesures fiables en ce qui concerne les matériaux analysés. Le perçage manuel ou avec un système à grande vitesse ne permettent pas des mesures fiables.

Des paramètres optimisés ont été définis pour le processus de perçage et l'acquisition des valeurs de contrainte en s’appliquant à la méthode de trou pour les composants en plastique moulés par injection. En raison de la sensibilité élevée de la jauge de contrainte à certains facteurs externes, le contrôle télécommandé du perçage automatique et du système d’acquisition des données a prouvé son extrême efficacité.

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