Qualification de la construction légère par tomographie par ordinateur

Fig. 1 : Le KUZ dispose du tomographe par ordinateur (CT) Werth TomoScope® XS.

Fig. 2 : Tomodensitométrie d'un composite à fibres longues de PP. Les ellipses rouges indiquent la distribution de l'orientation des fibres. La paroi de l'échantillon de 2 mm d'épaisseur a été divisée en 10 couches. La flèche bleue indique la direction du flux lors de l'injection. / Fig. 3 : À partir de la tomodensitométrie de l'échantillon de fibres longues de PP, les fibres ont été sélectionnées ici. Cela permet notamment de déterminer la teneur locale en fibres.

Fig. 4 : Dans cette coupe longitudinale d'un échantillon PA6GF30, sont représentées la distribution de la densité, la structure des bulles et l'orientation des fibres (de gauche à droite)

Fig. 5 : gauche : nuage de points (fichier STL) ; droite : mesure précise (écart d'environ 3 µm)

Fig. 6 : Assemblages de rivets avec différentes formes de tête de rivet. Défauts d'aspérité dans la tête du rivet (gauche). Fils de fixation dans la zone de contact entre la tête du rivet et la broche (au centre et à droite).

Les plastiques sont des matériaux prédisposés pour les applications en légèreté. Afin d’optimiser l’effet de légèreté du matériau, il est nécessaire de rendre leurs potentiels utilisables de manière ciblée.

Les propriétés mécaniques dépendent de la direction. La principale influence vient de l’orientation des fibres. Dans le cas du moulage par injection de mousse thermoplastique (TSG), des différences locales telles que la densité et la géométrie des bulles sont également importantes pour le comportement mécanique de la pièce moulée. En tenant compte de ces aspects, il est possible de produire des pièces très légères et à rigidité en flexion. Pour mieux comprendre les influences et les relations dans le procédé TSG, le Centre des plastiques de Leipzig (KUZ) étudie les pièces moulées à l’aide de la tomographie par ordinateur (CT). Cette technique permet de représenter et d’évaluer en détail les fibres, les bulles et la distribution de la densité des pièces moulées.

À la recherche des fibres

Grâce à un CT performant (TomoScope® XS de Werth) et à un logiciel d’analyse de pointe (Avizo de FEI), les scans CT, avec une résolution de 2 µm, peuvent être sélectionnés et mesurés pour analyser la composition des pièces moulées scannées. De cette manière, il est possible, par exemple, de déterminer l’orientation des fibres ainsi que leur part volumique. Sur la Figure 2, un scan d’un échantillon de fibres longues en polypropylène est présenté. Les fibres apparaissent en tons de gris clair, tandis que la matrice en polypropylène est en tons de gris foncé.

L’échantillon a été divisé en 10 couches de même épaisseur de 2 mm, superposées. Dans chaque couche, l’orientation des fibres a été déterminée avec Avizo et représentée par un ellipsoïde rouge. La plus longue des trois axes de l’ellipsoïde indique la direction préférentielle moyenne des fibres. Les deux autres axes, perpendiculaires à cette direction, indiquent l’orientation secondaire. Plus les fibres sont orientées dans une même direction, plus cet axe est long. Si toutes les fibres étaient alignées dans la même direction, l’ellipsoïde deviendrait une ligne. Si les fibres sont réparties uniformément dans toutes les directions, l’ellipsoïde devient une sphère.

La flèche dans la Figure 2 indique la direction du flux. On peut voir que, conformément au type de moulage par injection, les fibres dans la zone périphérique (zone de cisaillement) sont préférentiellement orientées dans la direction du flux, tandis que celles au centre sont perpendiculaires. La Figure 3 montre les fibres sélectionnées en volume. Cela permet de déterminer localement la part volumique de fibres et de prendre en compte également les différences à l’intérieur de la pièce moulée.

Examiner la mousse de près

Les pièces moulées par TSG se caractérisent par des couches de surface compactes et un noyau mousseux. Cela confère aux pièces mousseuses une rigidité en flexion spécifique au poids élevée. La Figure 4 visualise les trois principales propriétés structurales. On y voit une coupe longitudinale d’un polyamide 6 contenant 30 % de fibres de verre courtes. En haut et en bas, les couches de surface compactes, avec le noyau mousseux au centre. La densité est représentée à gauche dans la Figure 4. Les tons de gris clair indiquent une densité élevée dans les couches de surface, tandis que les tons de gris foncé correspondent à des zones de faible densité dans le noyau mousseux. Au centre, les bulles sont sélectionnées. La géométrie de chaque bulle peut être mesurée individuellement et traitée ultérieurement. Enfin, à droite, la visualisation de la distribution de l’orientation des fibres, comme déjà décrite ci-dessus, est présentée.

Grâce à ces informations, il est possible, par exemple, de comparer les résultats avec ceux des simulations d’injection. De plus, il est possible d’affiner des simulations mécaniques en utilisant des propriétés matérielles anisotropes, c’est-à-dire dépendantes de la direction.

Potentiels supplémentaires de la tomographie par ordinateur

Le CT permet également d’étudier d’autres questions importantes en technologie des plastiques. Tout comme pour l’analyse des bulles et des fibres, il est possible d’étudier des additifs fonctionnels tels que, par exemple, des particules métalliques.

Grâce à l’inspection sans contact et non destructive, le CT permet la mesure 3D des contours extérieurs ainsi que des contours internes inaccessibles, le contrôle de position dans les assemblages, ainsi que la comparaison entre la pièce réelle et le modèle CAO. La Figure 5 montre un engrenage dont les sections pertinentes ont été mesurées.

Le CT est également très utile dans l’analyse de défaillances. Il permet de détecter des inhomogénéités telles que des inclusions, des cavités, des fissures ou des joints de liaison. Avec l’expertise du KUZ, il est possible d’élaborer des stratégies pour corriger ces défauts et améliorer les processus.