Effet de l’incorporation granulaire de noyaux de dattes sur le comportement thermomécanique d’un composite prothétique par les
techniques de thermographie infrarouge et corrélation d’images.
a
K. Tadjine
a Laboratoire de recherche en risques industriels, contrôle non destructif et sureté de fonctionnement Université Badji Mokhtar Annaba
*Corresponding autor : Tél : 00213 5 50 77 06 22
E-mail : kameltadjine@rocketmail.com
Résumé :
Le but est d'améliorer le produit existant se rapportant à la fabrication d’une prothèse tibiale qui présente quelques défaillances notamment des fissures transverses et une décohésion au niveau des couches. La solution préconisée est l'incorporation d'une charge organique naturelle, les granulés de noyaux de dattes dans une résine de méthacrylate de méthyle comme matrice d’un composite stratifié à usage orthopédique.
Le matériau de l’étude est un composite hybride à renforts tissés verre/perlon imprégnés dans une résine de méthacrylate de méthyle. Les éprouvettes utilisées sont diversifiées par leurs différentes séquences d’empilement. Une étude du comportement mécanique du composite, permettra de voir l'influence de la nouvelle charge introduite et mettre en évidence le processus d'endommagement entraînant la rupture. La méthode de corrélation d’images est utilisée dans le respect du protocole des expérimentations pour des mesures optiques.
Une analyse thermique est effectuée pour valider l’évolution de la phase d’endommagement.
Une analyse expérimentale est présentée en donnant la séquence optimale d’empilement avec l’ensemble des paramètres calculés par logiciel 7 D de corrélation d’images.
Mots clés : composites, déformations, biomécanique, noyaux de dattes,
composites, comportement mécanique, corrélation d’images.
Introduction
L'apport des renforts est susceptible de ramener les matériaux composites au niveau de compétitivité attendu [1]. Les avantages visés sont multiples : meilleure tenue mécanique, influence de l'interaction tissu de verre et granulés de noyaux de dattes
Les défauts du composite de la prothèse tibiale dégradée impliquent une analyse des défaillances, conséquence des différentes sollicitations supportées par la partie tibiale durant tout le cycle de vie de la prothèse. La nature des sollicitations est déterminée à partir de l’analyse du cycle de marche sur laquelle se base le choix des essais [2][3] [4].
Une caractérisation est effectuée en traction qui consiste à considérer le tissu comme un stratifié suivant les directions (0°), (90°) et intermédiaires (45°et – 45°) [5].
1. Matériaux de l’étude.
1.1. Composite référence (orthopédique) : Il est constitué d'une matrice organique à base de méthacrylate de méthyle et d'un renfort tissé comprenant : un tissu de verre renforçant et un tissu perlon ayant un rôle absorbant.
1.2. Composite de substitution granulaire.
Même composition que le composite de référence, mais avec incorporation de granulés de noyaux de dattes dans la résine PMMA (méthacrylate de méthyle).
2. Analyse de l’endommagement par technique de corrélation d'images
La technique de corrélation d’images donne accès aux mesures des champs de déplacement et de déformation des éléments de surface de l’éprouvette.
Les étapes les plus importantes dans la technique de traitement d’images sont :
- L’acquisition numérique d’images par un dispositif d’acquisition d’images numériques associé au système d’essai de traction
- Les opérations traitées par le logiciel 7 D [6] qui consistent à corréler des images sur la phase d’endommagement du matériau étudié, en extraire et visualiser les différentes données qui sont les champs de déplacement et de déformation.
La méthode de corrélation d’images consiste à calculer les champs de déplacement entre deux images de l’échantillon [7] [8].
Lors d’un essai mécanique, des séquences d’images numériques sont prises par la caméra à des intervalles réguliers. Il permet de réaliser des corrélations entre l’image de départ et chacune des images sauvegardées de la séquence [9].
3. Essai de mesures des déplacements et des déformations lors de l’essai de traction par technique de corrélation d'images.
Les essais de traction des composites avec la technique de corrélation d’images ont été réalisés au sein du (LMéca), à l’Ecole polytechnique d’Annecy
L’objectif est de mesurer les déplacements et les déformations pour permettre de comparer les différents matériaux fabriqués.
Les essais ont été organisés en deux parties :
─ partie mécanique renfermant la machine de traction avec son dispositif de traction
─ partie optique comprenant la camera numérique (CCD)
Les éprouvettes ont été élaborées à partir des plaquettes de matériaux composites stratifiés orthopédiques de références.
3.3. Dispositif expérimental
:
Le dispositif expérimental est constitué de la machine de traction et du système d’acquisition d’images (voir figure 3)
Figure 1. Dispositif expérimental pour la prise des images de la surface d’une éprouvette au cours d’un essai de
traction au LMéca (Annecy) 4. Analyse des résultats des essais de traction par corrélation d’images :
0 1 2 3 4
0 20 40 60 80 100 120 140
comp 2-6
Contrainte, MPa
Déformation
fig 3.Courbe contrainte déformation Ref 3 Le suivi de l’endommagement a été effectué à température ambiante sur une machine de traction de type instron 5569 pilotée logiciel dénommé Merlin. Chaque essai est mené en imposant une vitesse de traverse constante de 2 mm / mn jusqu’à la rupture de l’éprouvette (figure 1). La fréquence est de 20 Hertz.Le logiciel pilotant la caméra optique s’appelle
« Vision stage ». Un réglage de l’horizontalité de la caméra est effectué.
Plusieurs éprouvettes ont été testées, par catégorie de matériau.
Les deux types de composites figurants au tableau 1 ont été soumis à l’essai de traction et ont été analysés par corrélation d’images
Série Type de
composite
Observations
Ref 1 1 couche de tissu de verre 1 couches de perlon
Stratification symétrique
Ref 3 2 couches de tissu de verre 2 couches de perlon
Stratification symétrique
Tableau 1. Les différentes éprouvettes an
0 10 20 30 40 50 60 70 80
0,000,250,500,751,001,251,501,752,002,252,502,753,003,253,503,754,004,254,504,755,00 Courbe contrainte-déformation
eprouvette 1.1
Déformation Eprouvette série 1 (une couche de tissu de verre), n°01
Contrainte, MPa
fig 2.Courbe contrainte –déformation Réf 1 Sur la base des paramètres donnés par le logiciel 7D, les courbes de déformations longitudinales et de déplacements ont été tracées pour tous les deux types de composite.
Les deux tableaux 2 et 3 donnent un aperçu sur le comportement mécanique des différents matériaux de l’étude, d’abord en déplacement suivant les axes de sollicitation et en déformation suivant les directions de déformation
Série Déplacem ent suivant x (1) pixels
Déplacement suivant x (2) pixels
Déplacem ent
suivant y pixels
Ref 1 3,2026 14,995 43,952
Ref 3 3,8798 1,5369 46,974 Tableau 2. Valeurs des champs de déplacements suivant x et y
On constate que les champs de déplacement sont importants en fonction du nombre de couches de tissus (verre et perlon).
Suivant l’axe x, il y a augmentation du déplacement en passant d’une couche de tissu de verre à un nombre de deux couches (voir figure 4)
Dans les catégories des composites de référence, les champs de déplacement sont importants en fonction du nombre de couches de tissus (verre et perlon).
Suivant l’axe x , il y a augmentation du déplacement en passant d’ une couche de tissu de verre à un nombre de deux couches.
De même pour le déplacement suivant y.
Quand aux déformations, l’aptitude à la déformation est très importante également lorsque la stratification augmente, ce qui n’est pas le cas des composites hybrides qui ont tendance à ne pas se déformer à l’instar des composites de référence
. Etude du champ cinématique Déplacement suivant x
Composite déplacement x Ref1 Composite déplacement x Ref3
Figure 4. Champ de déplacement suivant x des
éprouvettes Ref 1 et Ref 3(En pixels
5- Analyse des résultats des essais de traction par thermographie infrarouge : Les échantillons choisis ont été découpés suivant une géométrie décrite au chapitre 4.
Les trois composites figurant au tableau 5.17 ont été soumis à l’essai de traction et on été analysés par corrélation d’image.
5.1. Dispositif expérimental
Etude du champ thermique Dispositif experimental
Figure 5.Dispositif expérimentale d’analyse du champ thermique 5.2. Observation des éprouvettes
composite Ref 1
Suivi de l’endommagement par thermographie infrarouge
composite Ref 3 composite Hyb2
Figure 6.Suivi de l’endommagement par camera thermique
5.3. Résultats obtenus par thermographie infrarouge
Parallèlement à la conduite de l’essai de traction, l’enregistrement des températures a été effectué pour voir l’évolution de l’endommagement, ainsi que l’adéquation avec les autres essais mécaniques. Les échantillons analysés sont ceux du tableau suivant
Températures de phases d’endommagement
(composites de référence et hybride)
Tableau3 .Températures des phases d’endommagement des composites utilisés
L’endommagement a été suivi, en plus, de la détermination des propriétés mécaniques par le logiciel de corrélation d’images 7 D par la thermographie infrarouge. Ceci a été possible àcause de la compatibilité des installations. (Figure 5.18)
4. Courbe représentative
Parallèlement à la conduite de l’essai de traction, l’enregistrement des températures a été effectué pour voir l’évolution de l’endommagement, ainsi que l’adéquation avec les autres essais mécaniques. Les échantillons analysés sont ceux du tableau suivant
Courbe de Température par Thermographie Infrarouge
44
Figure 7.Courbe de températures enregistrées par thermographie
infrarouge
A l’instar de la corrélation d’images, on constate que les évolutions thermiques suivent le même comportement que les déformations enregistrées.
Le constat effectué après lecture des températures lors de la phase d’endommagement est l’apport énergétique absorbé par la dislocation des constituants du matériau.
Le composite hybride enregistre la température la plus importante en raison de la présence des granulés de dattes.
En revanche, les composites de référence se réchauffent moins que le composite hybride mais ce sont les microfissures de la résine thermoplastique puis l’armature de tissu qui exigent un apport d’énergie en se déformant. Les calculs effectués précédemment des facteurs d’intensité de contrainte et leur transformation éventuelle en taux de restitution d’énergie peuvent expliquer amplement l’existence de ces températures.
Le Kic calculé peut donner le taux de restitution d’énergie par la relation
Gic = Kic/E en état de contraintes planes
Gic = Kic. (1 -υ2) / E en état de déformations planes
E est le module de Young et υ est le coefficient de Poisson
Pour l’hybride 2, la valeur du Kic moy en MPa√m est : 94,890 MPa√m
Pour Réf 3, la valeur du Kic moy en MPa√m est : 55,939 MPa√m
La thermographie infrarouge a pu montrer l’évolution et le suivi de l’endommagement par analogie aux autres expérimentations qui ont précédé.
La transmission de la chaleur dans les matériaux est créée par les défauts présents qui lui constituent des obstacles et lui donnent naissance en surface à des anomalies thermiques détectées par la caméra infrarouge.
5. Conclusion :
Cette méthode a permis de déterminer les champs de déplacement et de déformation suivant les différents axes et en transverse, nous avons exposé la détermination des champs de déplacement et de déformation suivant uniquement x. Les résultats obtenus ont montrés l’importance de la séquence d’empilement et son incidence sur le comportement mécanique du composite stratifié , de même que pour la thermographie infrarouge .
Références bibliographiques :
[1] H.S. Kaltz, and Milewsky, J.V (Editors).Handbook of Reinforced for plastics.
Van Nostrand Reinhold, New York, 1987. ok [2] Darmana R. « Cycle de marche ». Lettre observatoire du mouvement ; 4, place Alphonse-Jourdain 31071 Toulouse Cedex 7.ok [3] Ménager D. « Amputations du membre inférieur et appareillage ». Encycl Méd Chir(Ed Scientifiques et Médicales Elsevier SAS, Paris) App locomoteur, 15-8966-A-10,2002,15p .OK
[4] Seireg, A., Arkivar, R.J. “The prediction of muscular load sharing and joint forces in the lower extremities during walking”, journal of biomechanics 1975.OK
[5] F. Dalmaso, et J. Mézières, Calcul des propriétés élastiques des tissus utilisés dans les matériaux composites. Revue de l'institut Français du pétrole, vol 53 N°6, novembre décembre 1998.OK
[6] Vacher .P, Dumoulin .S , “ Extensomètre par techniques de corrélation d’ images”
Laboratoire de Mécanique appliquée , 74016 Annecy Cedex France , conférence mesures optiques pour l’industrie, nov. 2000 Biarritz.OK [7] S.Mguil-Touchal, F.Morestin and M.Brunet, Computer Methods and Expérimental Measurements, pp. 46-58 (1997)OK
[8] S.Mguil-Touchal Siham, thèse de Doctorat, INSA Lyon, (1997)OK
[9] W.H.Peters, W.F.Ranson &
M.A.Sutton, Optical Eng., vol.22, pp.738- 742 (1983)
[10] Vacher P, « Apport des techniques de corrélation d’images en mécanique :
Analyse de déformations et numérisations 3 D » HDR ESIA Annecy Universitè de savoie 2003.
