Essais de résistance expliqués : mesurer les limites des matériaux pour composants critiques

Les essais de résistance des matériaux et de finition de surface examinent les limites des pièces cruciales utilisées dans des produits critiques. Voici ce qu'il faut savoir sur l'évaluation des limites de résistance des matériaux et de construction, si importantes pour l'intégrité de nombreux produits.

Si vous avez déjà demandé de l'aide pour ouvrir un bocal de cornichons, il est probable que l'entreprise de mise en bouteille n'ait jamais parlé à Mark Fridman. Il en va de même pour le sac de chips que vous avez déchiré la semaine dernière, pour voir les chips voler partout dans la salle de pause quand la couture s'est fendue en deux. Ou l'aspirine dont vous aviez besoin dont le flacon vante un bouchon résistant aux enfants qui serait plus exactement appelé résistant aux humains.

Fridman est le président de Mark-10 Corp. à Copiague, New York. Il a un travail amusant. Son entreprise fabrique des équipements de test qui tentent de déchirer, perforer, peler, écraser et autrement détruire divers produits manufacturés. Beaucoup d'entre eux sont des biens de consommation comme ceux décrits ci-dessus. Mais Fridman et l'équipe Mark-10 sont particulièrement cruciaux pour les industries automobile, aérospatiale et médicale où la sécurité des produits est primordiale.

Déterminations par la force

Ce n'est pas seulement de la destruction. L'équipement Mark-10 peut mesurer la force de libération de ceinture de sécurité, l'élasticité des ressorts, le couple nécessaire pour visser une vis osseuse et d'innombrables autres applications similaires.

« La facilité d'utilisation, la fiabilité et la durabilité de ces objets manufacturés et d'autres peuvent être quantifiées par une valeur de force ou de couple », dit Fridman. « Donc que ce soit de l'équipement médical ou des matériaux d'emballage ou des composants aérospatiaux, beaucoup des choses que nous utilisons chaque jour doivent être soumises à ce genre de test physique pour s'assurer qu'elles répondent aux critères de qualité du client. »

Typiquement, les tests ont lieu à l'installation où ces objets sont fabriqués, et souvent sur la ligne de production elle-même. Parmi les composants d'essai de résistance mécanique que Mark-10 propose sont :

• Les dynamomètres (force gauges) sont utilisés pour capturer les forces de tension et de compression (tirage et poussée) dans les applications de test — les éprouvettes en forme d'haltère avec lesquelles de nombreux ateliers d'usinage sont familiers seraient tirées en deux sur un tel dispositif.
• Les couplemètres (torque gauges) mesurent les forces horaires ou antihoraires telles que celles appliquées aux fixations filetées, boutons et cadrans, ou le couvercle de bocal de cornichons mentionné.
• Les coefficient de frottement (COF) gauges mesurent les forces statiques et cinétiques générées en traînant un « traîneau » (un petit patin métallique) sur un matériau cible.
• Les testeurs de traction de fil (wire pull testers) sont utilisés pour mesurer la force d'arrachage pour les bornes électriques serties, les terminaisons de tubes et les connecteurs de jonction de fils.

Beaucoup de ces appareils sont disponibles en versions portables et sur établi, et sont souvent utilisés en conjonction avec un banc d'essai manuel ou motorisé, divers dispositifs de serrage et accessoires, et le logiciel pour collecter et analyser les résultats des tests.

« Beaucoup de nos clients, particulièrement quand vous parlez de produits aérospatiaux, automobiles et médicaux, doivent respecter certaines normes ISO, SAE ou ASTM », dit Fridman. « Il y a aussi certaines normes spécifiques à l'industrie, ainsi que celles que les fabricants développent en interne pour assurer que leurs produits n'échoueront pas sur le terrain. Un atelier d'usinage qui offre des services d'assemblage, par exemple, pourrait acheter une de nos unités pour vérifier la tension d'un ressort sur un levier ou la force nécessaire pour fermer une porte. Les tests sont très spécifiques à l'usage, et les applications sont presque trop nombreuses pour être comptées. »

Ingénierie des surfaces

Pat Nugent s'intéresse aussi à la qualité des produits, mais de manière plus connue de la plupart des ateliers d'usinage. En tant que vice-président de la gestion produit chez Mahr Inc., basé à Providence, Rhode Island, il est responsable de la large gamme d'équipements de métrologie de l'entreprise, y compris ceux utilisés pour mesurer la rugosité de surface, la rondeur et la forme. Il explique que l'équipement utilisé pour quantifier le premier de ces éléments — la rugosité — a été développé il y a des décennies, à une époque où l'usinage était encore effectué via cames et manivelles. De plus, ces méthodes antiques influencent encore les normes de rugosité utilisées aujourd'hui.

« Les premiers profilomètres n'étaient pas si différents d'un vieux lecteur de disques, sauf que l'aiguille bougeait de haut en bas plutôt que de côté à côté », dit Nugent. « Ces premiers appareils analogiques utilisaient un calcul mathématique connu sous le nom de Rq, un type de moyenne quadratique, pour déterminer la rugosité de surface. Aujourd'hui, la plupart des ateliers — du moins ceux ici aux États-Unis — sont plus familiers avec Ra, ou rugosité moyenne. »

Nugent ajoute que dans d'autres parties du monde, la norme Rz est généralement utilisée, qui est la différence moyenne pic-à-vallee entre cinq longueurs d'échantillonnage consécutives. Il est rapide de souligner, cependant, qu'une centaine ou plus de paramètres et normes de mesure de surface existent, et que les fabricants sont souvent confus sur lequel utiliser et pourquoi.

« Alors que l'industrie entrait dans l'ère numérique et que l'équipement de mesure devenait plus performant, les gens ont compris comment collecter divers profils de surface et les utiliser pour quantifier la qualité des pièces », dit-il. « Pensez à l'alésage d'un cylindre de moteur. Un fabricant va généralement usiner la surface en brut, puis revenir avec une opération de finition par honing ou rectification, qui abat les pics mais laisse les vallées derrière. S'ils peuvent mesurer et donc contrôler ces processus avec suffisamment de précision, cela crée une sorte de surface conçue (engineered surface) qui fournit des caractéristiques d'usure et de lubrification optimales. »

Rugosité et Ondulation

La bonne nouvelle derrière toute cette complexité est que l'équipement de mesure moderne comme celui fourni par Mahr peut facilement basculer entre quelles que soient les normes de rugosité de surface sur le dessin. Ils sont aussi capables de mesurer l'ondulation (waviness), qui va de pair avec la rugosité.

Dit Nugent : « Je dis aux gens de penser à une table en bois qui a eu un objet lourd reposant dessus. La courbure au milieu peut être considérée comme de l'ondulation, tandis que le grain que vous pouvez sentir avec vos ongles est sa rugosité de surface. »

Il est important de reconnaître que la rugosité de surface et l'ondulation sont des mesures bidimensionnelles. Prenez une série de telles mesures en utilisant des optiques avancées comme celles trouvées dans un certain nombre de produits Mahr et il est possible d'obtenir des vues détaillées en trois dimensions d'un objet usiné, coulé, formé ou imprimé.

Cela revient à ce que Nugent a dit plus tôt sur les surfaces conçues — la capacité de mesurer et donc de contrôler les processus de fabrication au niveau microscopique peut mener à des améliorations profondes dans le comportement de l'objet fini, présentant des opportunités telles qu'une meilleure intégration osseuse dans les implants orthopédiques, et la création de surfaces qui imitent de plus près celles trouvées dans le monde organique.

Quels obstacles avez-vous rencontrés lors de la mesure de la résistance d'un matériau ? Comment les avez-vous surmontés ? Quels conseils pouvez-vous partager ?