Qu'est-ce qu'une épreuve de chute ?

Une épreuve de chute est une étude contrôlée de ce qui arrive à un produit lorsqu'il tombe sur une surface dure à partir d'un ensemble spécifique de hauteurs et d'orientations de chute. Les ingénieurs mesurent l'ampleur de l'impact, l'effet sur la fonctionnalité et tout dommage esthétique après chaque épreuve. Ils utilisent ces informations pour améliorer la conception ou déterminer si la configuration est acceptable.

La plupart des consommateurs ont entendu parler des tests des produits électroniques grand public, par exemple les téléphones portables, mais les épreuves de chute sont employées dans bien d'autres secteurs, notamment l'aérospatiale, les biens de consommation, les machines lourdes, les appareils médicaux et même le transport de matières nucléaires.

L'objectif de toute épreuve de chute est de s'assurer que la conception du produit et de l'emballage permet au produit de survivre à un nombre raisonnable de chutes sans que sa sécurité, son bon fonctionnement et son esthétique ne soient affectés. Outre les essais physiques, la plupart des entreprises utilisent la simulation pour effectuer des épreuves de chute virtuelles plus tôt dans le processus de conception et à moindre coût.

Les épreuves de chute permettent d'évaluer les dommages potentiels du produit dans deux domaines de propriété. Le premier concerne le transport et le stockage avant l'utilisation, et le second, l'utilisation de l'appareil. Le produit se trouve généralement dans un certain type d'emballage au cours de la phase de pré-utilisation, de sorte qu'une épreuve de chute est effectuée pour évaluer la résistance de l'emballage. Le produit est ensuite testé seul pour voir ce qui se passe si l'utilisateur final le laisse tomber. 

La clé d'une épreuve de chute efficace et instructive est la mise en place d'une procédure d'épreuve de chute qui répond aux normes industrielles, fournit des informations utiles à l'équipe de conception et permet de valider l'emballage et la conception du produit. 

Objectifs de l'épreuve de chute

La première étape de tout projet d'épreuve de chute consiste à définir les objectifs de l'épreuve. Dans certains cas, le seul objectif est de répondre aux normes exigées par des expéditeurs comme FedEx ou des distributeurs comme Amazon ou Sam's Club. Dans d'autres cas, les équipes de conception utilisent les données d'épreuve pour optimiser la conception du produit ou de l'emballage. Les objectifs doivent être clairement documentés et utilisés pour élaborer le plan de test. 

Variables utilisées dans les épreuves de chute

Les produits peuvent être lâchés d'un nombre infini de hauteurs, dans de nombreuses orientations différentes et dans une multitude de conditions environnementales. Toutes ces variables peuvent être définies par des normes ou par l'équipe de conception. Une épreuve de chute efficace doit comporter des définitions claires des variables suivantes : 

• Hauteur de chute : La gravité accélère un objet en chute libre, de sorte que la hauteur de la chute détermine la vitesse de l'élément lorsqu'il frappe la surface d'impact et, par conséquent, la force de l'impact. 
• Orientation du produit : Lorsqu'un objet atterrit sur un coin ou une arête, la charge sur l'objet est concentrée et les dommages sont plus importants que lorsqu'il atterrit sur une grande surface plane. C'est la raison pour laquelle les épreuves de chute comprennent des orientations multiples. 
• Nombre de chutes : Un produit ou un emballage peut survivre à une ou deux chutes, mais, chaque fois qu'il subit un impact, il peut subir des dommages supplémentaires. De nombreux tests comportent une spécification relative au nombre de chutes auxquelles un objet doit résister pour différentes hauteurs. 
• Matériau de la surface d'impact : Le matériau de la surface d'impact plane influe considérablement sur la quantité d'énergie transférée à l'objet qui tombe. Les surfaces d'épreuve de chute les plus courantes sont le béton, le béton poli, l'acier, le contreplaqué sur béton et les carreaux de vinyle sur béton. 
• Température et humidité : La température et l'humidité dans la cellule d'essai constituent des variables importantes, en particulier pour les emballages en carton. Ces deux variables déterminent les propriétés matérielles du produit, de l'emballage et de la surface de chute. 

Normes d'épreuve de chute

Il existe une grande variété de normes pour les épreuves de chute. Certaines sont établies par les industries, d'autres par les entreprises qui expédient ou distribuent des produits, et d'autres encore par des groupes de normalisation internationaux. Les plus courantes sont les suivantes : 

• ASTM D5276 : méthode d'essai normalisée pour l'épreuve de chute libre de conteneurs chargés
• ASTM D7386 : pratique normalisée pour les tests de performance des colis destinés aux systèmes de livraison de colis uniques
• ISTA 3A : systèmes de livraison de colis de 70 kg (150 lb) ou moins
• ISO 2248 : essai de choc vertical par chute
• CEI 60068-2-31 : essais - essai Ec : chocs liés à des manutentions brutales, essai destiné en premier lieu aux matériels
• MIL-STD-810G 516.6 : considérations d'ingénierie environnementale et essais en laboratoire : essai : Choc

Équipement d'épreuve de chute

Les épreuves de chute utilisent généralement un petit ensemble d'équipements d'essai pour effectuer le test et mesurer les résultats. Les planificateurs d'essais doivent spécifier un équipement capable de gérer la taille et la masse des objets testés, de mesurer avec précision les variables d'entrée de l'épreuve et de saisir les données nécessaires à l'essai. 

Testeur de chute

Un testeur de chute est utilisé pour faire tomber de manière cohérente l'objet testé en utilisant les paramètres souhaités pour la hauteur, l'orientation et la surface d'impact. Il se compose d'une surface d'impact et d'un mécanisme qui maintient puis relâche l'objet à tester à la hauteur et dans l'orientation souhaitées. La plupart des machines automatisent le levage et la libération des éléments de test. 

Testeur de chute à tambour rotatif

Les petits composants électroniques et les appareils, tels que les téléphones portables, sont testés à l'aide d'une machine d'épreuve de chute à tambour rotatif. L'objet à tester est placé dans un tambour qui tourne, soulevant et laissant tomber l'objet à tester à plusieurs reprises. Les entreprises utilisent ce type d'équipement pour vérifier que chaque orientation de chute potentielle est vérifiée par des tests. 

Accéléromètres

L'accélération est un élément d'information essentiel dont les ingénieurs ont besoin pour comprendre les charges que subit un produit lors d'un impact. Les testeurs utilisent des accéléromètres pour mesurer l'accélération dans l'emballage et à des endroits clés du produit. 

Contrôleurs optiques

Les ingénieurs doivent également constater les dommages esthétiques et la déformation physique subis par l'objet testé après l'impact. Différentes méthodes peuvent être utilisées à cette fin : inspection visuelle effectuée par un technicien à l'aide de différents appareils de mesure étalonnés, caméras de haute qualité ou balayage optique de lumière pour déterminer la surface déformée. 

Bancs d'essai pour produits

Lorsque la fonctionnalité du produit est l'une des exigences du test, des bancs d'essai sont utilisés pour automatiser les tests fonctionnels. 

Étapes types d'une épreuve de chute

1. Planification : Les ingénieurs d'essai utilisent les objectifs, les spécifications du produit et les normes de l'industrie ou de l'entreprise pour planifier la série de tests la plus efficace qui réponde à toutes les exigences.
2. Étalonnage et réglage de l'équipement : L'équipement d'épreuve de chute doit être étalonné et configuré pour les essais. Il s'agit notamment de répondre aux préoccupations en matière de sécurité et de mettre en œuvre l'automatisation et l'acquisition de données là où c'est nécessaire. 
3. Préparation des échantillons : Les techniciens doivent ensuite préparer l'objet à tester. Il peut s'agir d'un prototype de l'emballage et du produit ou d'échantillons prélevés dans la production pour être testés. Des accéléromètres sont fixés et des marquages sont appliqués si nécessaire. Le poids doit également être vérifié à ce stade. 
4. Exécution : L'essai est effectué à l'aide de l'équipement d'essai décrit dans le plan d'épreuve de chute. Il est important que chaque étape de l'exécution soit cohérente et suive le plan de test. 
5. Inspection et analyse : Après chaque épreuve de chute, les techniciens et les ingénieurs inspectent l'objet testé et enregistrent toute modification géométrique, esthétique ou fonctionnelle. Les résultats sont également analysés afin d'obtenir les données nécessaires pour le test ou l'équipe d'ingénieurs. 
6. Documentation et rapport : Le résultat de tout programme de test est un rapport complet et détaillé de ce qui a été fait, des données obtenues et de toute exception au plan de test. 

Lorsqu'un nouveau produit est en cours de développement, l'équipe d'ingénieurs se concentre sur son fonctionnement normal. Ce fonctionnement normal comprend la prise en compte de la chute de l'appareil à plusieurs reprises au cours du cycle de vie du produit. Les épreuves de chute sont devenues un élément essentiel de la qualité des produits pour diverses raisons :

1. Sécurité

L'avantage le plus important des épreuves de chute est la sécurité du produit. Si l'intégrité structurelle d'un produit est défaillante après une chute, il peut générer des fuites de produits chimiques, surchauffer, s'enflammer ou fonctionner d'une manière susceptible de causer des dommages. Les équipes de conception utilisent des épreuves de chute ou des simulations d'épreuves de chute pour optimiser le matériau et la structure du produit et de son emballage afin de répondre aux spécifications de sécurité.

2. Durabilité et fonctionnalité des produits

Après la satisfaction des exigences de sécurité, le deuxième objectif des épreuves de chute est de vérifier que le produit est suffisamment résistant pour fonctionner correctement après les chutes. Son objet dépend du produit testé. Un capteur IoT peut être bosselé et rayé, mais, tant qu'il continue de recueillir des données précises, il est considéré comme fonctionnel. 

La fonctionnalité devient critique dans les secteurs de la médecine et de la défense, où la perte de capacité peut avoir un impact significatif sur les patients et les soldats. Les épreuves de chute permettent aux équipes de conception de valider la durabilité de leur conception en fonction d'un nombre raisonnable de chutes. 

3. Satisfaction du client

L'état d'un produit après une chute peut avoir un impact significatif sur l'opinion qu'un client se fait d'un produit et d'une marque, notamment si la fonctionnalité est réduite. Par ailleurs, l'état esthétique du colis à la livraison ou du produit lui-même après une chute a un impact considérable sur la satisfaction du client. Les bosses, les rayures et les fissures n'affectent peut-être pas la fonctionnalité du produit, mais elles ont un impact négatif sur l'impression qu'en a le client. 

Les tests de chute permettent non seulement d'éviter de tels dommages, mais ils aident aussi l'équipe de conception à travailler avec l'équipe marketing et le service clientèle pour définir les attentes de l'utilisateur final en ce qui concerne la survie du produit suite à une chute. 

4. Réduction des coûts de taille, de matériel, d'expédition et de stockage

Le moyen le plus simple de permettre à un produit de survivre à une chute de différentes hauteurs est d'ajouter des matériaux à l'emballage et au produit lui-même. Cependant, cela signifie une hausse du coût global du produit due à l'augmentation du coût des matériaux, de l'expédition et du stockage. Les épreuves de chute permettent aux ingénieurs de vérifier si leur conception de l'emballage et du produit minimise les coûts tout en respectant les exigences en matière de chute. 

5. Réduction des coûts de remplacement, de réparation et de garantie

Le coût de remplacement des produits endommagés lors de l'expédition ou de l'utilisation peut grimper rapidement. Les épreuves de chute peuvent aider à déterminer quels types de chutes sont couverts par la garantie et quelles sont les exigences pour les expéditeurs. En outre, les épreuves de chute permettent d'améliorer la durabilité et l'emballage du produit afin de réduire les coûts potentiels liés aux chutes dommageables. 

Les épreuves physiques de chute constituent un élément clairement défini et efficace du processus d'assurance qualité, mais elles ne peuvent être effectuées qu'une fois que l'emballage et une version testable du produit existent physiquement. De plus, elles sont coûteuses et prennent du temps, sans parler du coût de la modification de la conception à un stade aussi avancé du processus de développement. C'est pourquoi de nombreuses entreprises utilisent la simulation pour effectuer des épreuves de chute virtuelle dans le cadre du processus de conception du produit, et non une fois le processus terminé. 

Le logiciel LS-DYNA® d'Ansys est l'outil de simulation standard pour les épreuves de chute dans la plupart des secteurs. Il s'agit d'une plateforme d'analyse par éléments finis (FEA) qui résout les problèmes dans le domaine temporel et prend en compte le poids, l'élan, les matériaux complexes et les conditions de contact complexes, exactement ce dont les ingénieurs ont besoin pour simuler des épreuves de chute. La simulation peut non seulement aider les ingénieurs à comprendre le comportement de leurs produits et de leur emballage en cas de chute, mais elle leur permet également de réaliser rapidement des études paramétriques de type « et si... » afin d'orienter ces conceptions.

Une simulation présente l'avantage supplémentaire de permettre aux ingénieurs de regarder à l'intérieur de l'emballage ou du produit et d'observer le comportement interne au fil du temps lors d'un impact, ce qui permet d'obtenir des informations plus précises qu'avec un essai physique. Les ingénieurs qui utilisent la simulation pour les épreuves de chute peuvent accéder aux situations d'accélérations, de contraintes, de déformations, de forces de contact, de déformations plastiques et de déplacements à n'importe quel emplacement du système.

Lorsqu'ils utilisent la simulation pour réaliser virtuellement des épreuves de chute, les ingénieurs doivent tenir compte des meilleures pratiques suivantes :

• Créez un maillage précis et de haute qualité en utilisant des éléments hexaédriques (hex) dans la mesure du possible, des éléments suffisants dans l'épaisseur et des éléments d'ordre supérieur si nécessaire. Il est également essentiel que la taille des éléments soit relativement uniforme. La suite Ansys propose divers outils de maillage qui peuvent faciliter ce processus. 
• Utilisez le contact collé pour fixer les composants qui sont attachés les uns aux autres dans le produit, et utilisez le contact frictionnel pour représenter les surfaces qui pourraient glisser l'une par rapport à l'autre lors d'une situation d'impact. Le logiciel LS-DYNA dispose d'une multitude d'outils pour établir et gérer les connexions de contact. 
• Tirez parti des nouvelles fonctionnalités ajoutées au logiciel LS-DYNA à chaque nouvelle version. Des fonctionnalités telles que la modélisation multi-cas, les matériaux en carton et les nouveaux outils de maillage améliorent la capacité et l'expérience de l'utilisateur pour les épreuves de chute. 
• Utilisez le calcul haute performance (HPC) sur votre propre matériel ou dans le cloud. Le logiciel LS-DYNA prend en charge le traitement parallèle multicœur, ce qui permet d'obtenir des modèles plus grands et des temps de résolution plus courts.

Les attentes des clients et des partenaires de distribution évoluent constamment, ce qui détermine la technologie et les attentes en matière d'épreuves de chute. Le développement durable a également un impact considérable sur les matériaux utilisés pour la fabrication des produits et sur la manière dont ils sont emballés. 

Voici cinq tendances que les ingénieurs devraient prendre en compte lors de la planification de leurs épreuves de chute.

Développement durable

Le développement durable est à l'origine des plus grands changements dans les systèmes d'emballage des produits. Dans certains cas, les consommateurs et les détaillants s'attendent à ce que les produits soient expédiés dans leur propre emballage, sans emballage de protection. Les préoccupations environnementales poussent également à utiliser des matériaux plus durables et à utiliser moins de matériaux dans l'ensemble.

Réduction des coûts

Les coûts de fabrication, d'emballage et d'expédition peuvent être considérables et les entreprises sont constamment à la recherche de moyens de réduire les coûts partout où elles le peuvent. Les épreuves de chute joueront un rôle encore plus important, en particulier la simulation pour les épreuves de chute, en aidant les ingénieurs à apporter des modifications à la conception afin de réduire le coût des produits et de leur emballage tout en s'assurant que leur résistance aux chocs est conforme aux spécifications. 

Attentes supérieures des utilisateurs

Les utilisateurs sont de plus en plus exigeants en ce qui concerne l'aspect esthétique de l'emballage et la capacité des produits à résister à des chutes de plus en plus hautes. Les ingénieurs doivent utiliser des épreuves de chute simulée dès le début du processus de conception pour répondre à ces attentes et donner à leurs produits un avantage par rapport à la concurrence. 

Attractivité en rayon et expérience de déballage

L'aspect des produits dans les rayons physiques et virtuels et l'expérience du déballage est un autre domaine où les attentes des utilisateurs sont de plus en plus élevées. Ces préoccupations esthétiques auront une influence croissante sur les caractéristiques de conception nécessaires à la résistance des produits aux impacts. C'est également à ce stade que les épreuves de chute simulée peuvent fournir aux ingénieurs les outils dont ils ont besoin pour tester des emballages plus agréables à l'œil dès le début du cycle de développement. 

Simulation multiphysique

Dans le domaine de la simulation, on insiste particulièrement sur l'exploitation des capacités multiphysiques d'outils, tels que le logiciel LS-DYNA, en l'associant au logiciel Ansys Mechanical™, à l'outil Ansys Sherlock™, au logiciel Ansys Icepak® et à l'application Ansys Fluent®. Il s'agit d'évaluer l'impact de la charge et de la déformation dues à une chute sur les performances et la fiabilité du produit. 

Ressources connexes