Nouveaux matériaux : comment caractériser leurs propriétés mécaniques ?
Les nouveaux enjeux poussent les industriels et fournisseurs à développer de nouveaux matériaux. Plus écologiques ou plus légers, leurs nouvelles propriétés ne doivent pas désservir leurs performances. Mesurer leurs propriétés mécaniques (rigidité, amortissement, raideur dynamique et coefficient de Poisson) devient donc nécessaire pour maîtriser leur comportement.
L’industrie vit une double révolution : écologique et technologique. Pour répondre aux impératifs de décarbonation et d’allègement, les bureaux d’études industriels délaissent progressivement les métaux standards au profit de matériaux de rupture : composites thermoplastiques, polymères bio-sourcés, alliages imprimés en 3D ou matériaux recyclés.
Cependant, l’intégration de ces nouveaux matériaux pose un défi majeur : l’incertitude. Sans données fiables, impossible de simuler la performance de vos produits. C’est ici que la caractérisation mécanique intervient.
Au sein du Groupe 6NAPSE, nous sécurisons vos innovations en déterminant précisément les 4 propriétés clés qui pilotent la performance de vos produits.
#1 Rigidité et élasticité
La question que l’on peut se poser sur un nouveau matériau est : Comment se déforme-t-il sous la charge ?
Souvent confondue avec la résistance, la rigidité définit la capacité d’un matériau à résister à la déformation élastique (réversible) sous une contrainte donnée. Elle est quantifiée par le Module d’Young. C’est la donnée d’entrée n°1 pour tout calcul de structure. Une erreur de module d’Young fausse directement les fréquences propres et les déplacements sous charge.
Nous la déterminons via des essais de traction classiques, mais aussi par des méthodes dynamiques (vibro-analyse) pour les matériaux complexes où le comportement dépend de la fréquence.
#2 Coefficient de Poisson
Lorsqu’un matériau est étiré dans une direction, il a tendance à s’amincir dans les directions transverses. Le coefficient de Poisson mesure ce rapport.
C’est le rapport entre la contraction transversale et l’allongement longitudinal.
Si ce coefficient est souvent standardisé pour les métaux, il est très variable pour les nouveaux polymères et les structures latticielles (qui peuvent même avoir un coefficient de Poisson négatif !).
Le mesurer précisément est indispensable pour la justesse des calculs de contraintes multiaxiales.
#3 Amortissement
L’amortissement caractérise la capacité d’un matériau à dissiper l’énergie mécanique, généralement sous forme de chaleur. C’est l’inverse de l’élasticité pure.
Un fort amortissement est recherché pour réduire les vibrations, le bruit rayonné et augmenter la durée de vie en fatigue.
Nous utilisons la méthode de la poutre Oberst ou l’analyse mécanique dynamique (DMA) pour mesurer le facteur de perte en fonction de la température et de la fréquence. Au-delà de la caractérisation du matériau « pur », il est crucial de comprendre comment un composant fabriqué avec ce matériau réagit sous une charge oscillante réelle.
#4 Raideur dynamique
Au CEVAA, la mesure de la raideur dynamique est une prestation pivot. Elle fait le lien entre la caractérisation matière et le comportement vibratoire global de votre produit. Elle est indispensable pour valider des composants critiques comme des supports élastomères, des liaisons châssis ou des couches isolantes.
Caractérisation de composants (Silentblocs et filtrage):
L’objectif est de déterminer la raideur complexe (K∗) en fonction de la fréquence. C’est crucial, notamment pour le découplage des moteurs sur véhicules.
Caractérisations structurelle ou raideurs d’accueil :
Cette méthode vise à déterminer que le point d’attache, par exemple d’un compresseur de clim ou d’un moteur n’est pas trop “souple” (faible raideur), ce qui pourrait entraîner des phénomènes de résonance structurelle.
La raideur dynamique des polymères et des composites varie énormément selon les conditions. Nous réalisons des essais combinés pour cerner ces dépendances :
- Température : mesures en enceinte climatique (de -40°C à +150°C) pour identifier la transition vitreuse.
- Amplitude et pré-charge : caractérisation de la non-linéarité des élastomères (Effet Fletcher-Gent) et mesure sous contrainte simulant les conditions réelles de montage.
- Nouveaux isolants : dans le bâtiment ou l’automobile, pour remplacer les isolants pétro-sourcés par des alternatives recyclées ou naturelles, nous mesurons la raideur dynamique (selon la norme ISO 9052-1) afin de valider leur performance d’isolation aux bruits d’impact.
Cette grandeur physique peut aussi être une donnée d’entrée afin de réaliser de la simulation numérique. Cela sert permet de concevoir des structures optimisées en masse et rigidité tout en limitant les frais des campagnes d’essais (prototypes, temps d’essais, etc…).
L’intégration de matériaux de rupture ne doit plus être synonyme d’incertitude.
Comme nous l’avons vu, la caractérisation mécanique est bien plus qu’une étape de validation : elle est le pont indispensable vers une structure bien conçue.
Le Groupe 6NAPSE et le CEVAA transforment vos nouveaux matériaux en données d’entrées robustes. Vous pouvez ainsi alimenter vos codes de calculs, anticiper les phénomènes vibro-acoustiques et garantir la performance de vos innovations dès la conception.
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