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Sélection des matériaux et des procédés Contexte : Rationalisation du processus de conception nombreuses méthodes Matériaux utilisés restent peu nombreux.

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1 Sélection des matériaux et des procédés Contexte : Rationalisation du processus de conception nombreuses méthodes Matériaux utilisés restent peu nombreux Possibilité dintégrer des fonctions de la pièce dans le matériau Nécessité doptimiser le choix des matériaux Mise au point dune méthode (M.F. Ashby)

2 Déroulement du cours 1 – Notions de conception, les matériaux et leurs propriétés 2 – Rédaction dun cahier des charges 3 – Evaluation des performances des matériaux 4 – Sélection multi critères 5 – Les Procédés et leurs attributs 6 – Faisabilité des procédés, viabilité

3 1Démarche de conception 1.1Principes généraux Conception dune pièce : choix des attributs (éléments de conception) relatifs à sa définition et sa réalisation Attributs : nombre de composants, géométrie, matériau(x) constitutif(s), procédé de fabrication, dassemblage… Point de départ : besoin du marché importance de la définition et lexpression de ce besoin

4 Fonctions des composants Produits = assemblage de composants Fonctions mécaniques : transmettre des forces Fonctions thermiques: conduction, isolation, inertie… Fonctions dinformation: conduction électrique, propriétés magnétiques, optiques…

5 Idées fondamentales : Nécessité de faire des compromis Choix effectué avec une précision croissante Besoin du marché Concept Amélioration Détail PRODUIT Choisir entre les grandes classes de matériaux (céramiques, métaux…) Choisir entre les familles dune grande classe de matériaux (aciers, fonte, Al…) Choisir entre les nuances dune famille de matériaux (Alliages 6000, 7000,..) SELECTION DES MATERIAUX Choisir entre les grandes classes de procédés (moulage, usinage…) Choisir entre les familles dune classe de procédés (moule en sable, moulage sous pression…) Choisir entre les variantes dune famille de procédés (moulage coquille, …) SELECTION DES PROCEDES Clarifier la fonction Définir les caractéristiques principales du produit Optimiser les formes Optimiser la réalisation (fabrication + assemblage) OBJECTIFS Analyse fonctionnelle Modelisation des composants (FEM) DFM / DFA OUTILS DE CONCEPTION Analyseur de fonction Modeleur 3D Simulation Méthodes doptimisation

6 Outils informatiques pour les dernières étapes Méthode des éléments finis Optimisation de la géométrie Outil de dimensionnement Premières étapes Pas d'outil performant Bases de données d'éléments fonctionnels (bielles, engrenages…) Problème du choix de matériaux (pas indépendant de la géométrie)

7 1.2Choix de matériaux et de procédés Sélection de matériaux critères de choix Choix objectif connaissance des propriétés des matériaux Choix pas indépendant du procédé de mise en œuvre Procédé Structure du matériau PropriétésFonction matériauForme Fonction astreintes + objectifs Procédé

8 Ingénierie simultanée Tous les aspects du développement dun nouveau produit doivent être envisagés simultanément Possibilité dinformatiser ces opérations Gestion de bases de données Classement suivant un critère objectif Logiciel Cambridge Engineering Selector (CES)

9 2Les propriétés des matériaux 2.1Qualité, propriété, caractéristique Qualité : type de la réaction dun matériau exposé à un agent déterminé Propriété, caractéristique : grandeur décrivant lampleur de ces réactions Possibilité de comparer les matériaux entre eux Choix de matériaux objectifs traduction du cahier des charges en fonction de ces grandeurs, avec des niveaux déterminés

10 2.2Les caractéristiques des matériaux Classement des propriétés des matériaux en 6 catégories (en fonction des agents auxquels ils sont exposés) : MécaniquesElectriques ThermiquesMagnétiques OptiquesChimiques Bases de données sous forme numérique : mécaniques, thermiques, électriques

11 Autres propriétés : pas de données sous forme numérique Qualitatives Résistance aux agressions chimiques Inflammabilité, résistance aux UV … Booléennes Procédés de mise en œuvre Procédés dassemblage Formes disponibles

12 2.3Les caractéristiques disponibles dans CES

13 Générales : Densité, prix Mécaniques : Module dYoung, limite délasticité, résistance, déformation à la rupture, limite dendurance, ténacité, dureté Vickers, capacité d'amortissement Thermiques Température de fusion, chaleur spécifique, conductivité thermique, coefficient de dilatation thermique Electriques Résistivité Optiques Transparence Résistance à lenvironnement Inflammabilité, solvants organiques, acides, bases, UV

14 CaractéristiqueQualité Module dYoung Rigidité, capacité dun matériau à sopposer à une déformation Limite délasticité, résistance Résistance aux efforts Déformation à la rupture Ductilité (capacité à se déformer avant de rompre) Limite dendurance Résistance à la fatigue (sollicitations mécaniques cycliques alternées) Ténacité Résistance à la propagation de fissure Dureté (Vickers) Résistance à l'enfoncement d'un pénétrateur Chaleur spécifique Quantité de chaleur pour élever la température dun kilo de matériau d'un degré Conductivité thermique Aptitude d'un matériau conducteur à transmettre de la chaleur Coefficient de dilatation thermique Dilatation du matériau lorsqu'on le chauffe Résistivité Indique dans quelle mesure un matériau est résistant au passage d'un courant électrique

15 Les modules d'élasticité Pentes des courbes contrainte – déformation module d'Young E : comportement en traction et compression module de Coulomb G : comportement en cisaillement coefficient de Poisson : opposé du rapport des déformations transversale et longitudinale EGEG F Rque : matériaux homogènes isotropes

16 Limite d'élasticité, résistance et allongement à la rupture Déterminés à partir des courbes contrainte – déformation en traction Capacité d'amortissement Facilité qu'a un matériau à dissiper de l'énergie vibratoire (coefficient sans dimension) R e R

17 Dureté Mesurée en appuyant une bille ou un cône d'un matériau très dur (diamant, acier trempé) sur la surface du matériau Limite d'endurance Sollicitation répétée pouvant entraîner l'apparition d'une fissure puis la rupture Amplitude de contrainte maximale pour laquelle la rupture ne se produit pas Ténacité Mesurée en chargeant une éprouvette en présence d'une fissure Deux grandeurs : énergie de rupture G 1C et ténacité K 1C

18 Coefficient de dilatation thermique Caractérise la dilatation d'un matériau lors d'une variation de température Un seul coefficient pour les matériaux isotropes Températures caractéristiques Température de transition vitreuse : transition entre le solide et le liquide visqueux pour les matériaux non cristallins Température de fusion, température de service maximale Conductivité thermique Vitesse à laquelle la chaleur de propage en régime permanent à travers un solide Flux thermique : avec conductivité thermique, flux de chaleur, x distance entre les surfaces où sont mesurées les températures

19 Diffusivité thermique Donne le flux thermique dans le cas d'un régime transitoire Exprimée en fonction des autres caractéristiques Usure, oxydation, corrosion usure volumétrique : rapport du volume de matière arraché et de la surface de contact corrosion plus difficile à quantifier seulement qualitatif données pour des couples de matériaux ou en fonction des milieux

20 3Les grandes classes de matériaux 3.1Classification des matériaux Nature des liaisons Trois grandes classes de matériaux solides : métaux, céramiques, polymères Matériaux naturels Matériaux composites

21 Elastomères (caoutchouc, silicones.. Polymères, Thermoplastiques (polystyrene,polyéthylène,PVC Thermodurcissables (résines) Mousses (polystyrène expansé) Bois soie Matériaux Naturels coton, cuir papier Matrice céramique Matériaux Composites Matrice métallique matrice polymère Verres bétons Céramiques, verres céramiques techniques (alumine, diamant,.. Porcelaine Aciers Aluminium or Métaux et alliages bronze fontes ……...

22 3.2Les métaux et alliages Exemples : aciers, aluminium, titane, or, bronze, fonte, zinc, tungstène, magnésium… Métaux purs ou alliages Type de liaison : métallique (assurée par électrons délocalisés) Propriétés spécifiques : - conduction de chaleur et électricité - températures de fusion et de vaporisation en général élevées - propriétés élastiques élevées - possibilité daugmenter la résistance (durcissement structural) - denses, sensibles à la corrosion et à la fatigue

23 3.3Les céramiques Exemples : verres, béton, alumine, diamant, carbures, roches, briques, porcelaines… Elements métalliques et non métalliques (carbures, nitrures…) Type de liaison : ionique ou covalente (très énergétiques) Propriétés spécifiques : - tenue en température - excellentes propriétés élastiques - fragiles, peu ductiles, peu tenaces - résistants à lusure et à la corrosion - prix élevé pour les céramiques techniques

24 3.4Les polymères Macromolécules à squelette covalent exemple : (CH 2 -CH 2 ) n Type de liaison : Van der Waals (liaison faible) Propriétés spécifiques : - deux températures spécifiques : transition vitreuse et dégradation - faibles propriétés élastiques - résistants à lusure et à la corrosion Catégories : thermoplastiques, thermodurcissables, élastomères

25 3.5Les matériaux composites Association déléments de deux classes de matériaux pour obtenir une combinaison avantageuse de propriétés Facteurs influençant les propriétés : - nature des constituants - proportions de chacun - architecture du renfort (fibres courtes, longues, orientation…) 3.6Les matériaux naturels Deux catégories : origine végétale ou animale Exemples : bois, papier, carton, liège, fibres naturelles, cuir, laine…

26 3.7Approche hiérarchique RoyaumeFamilleClassesAttributs Sous classes Céramiques Polymères Métaux Naturels Composites Aciers Alliages Cu Alliages Al Alliages Ti Alliages Ni Alliages Zn Matériaux Fiche dun matériau Masse volumique Prop Mecaniques Prop Thermiques. Prop Electriques.. Résistances Corrosion …… H H4 ….. Objectif : Donner un niveau d information compatible avec le niveau davancement de la conception

27 4Approche comparative des matériaux MétauxCéramiquesPolymèresComposites DensitéMoyenne / élevéeMoyenneFaible / très faibleMoyenne / faible PrixFaible / élevéElevé (techniques)Faible / élevéElevé Faible (grde diffusion) Module dElasticitéElevéTrès élevéMoyen / faibleElevé Résistance MécaniqueElevéeTrès élevée (compression) Moyenne / faibleElevée Tolérance aux défauts et aux chocs Très tenaceTrès fragilePeu tenaces mais grande énergie absorbée Très tenace Température dutilisation Moyenne / hautesHautes / très hautesMoyennes / faibles Moyennes Tenue aux agressions chimiques Moyenne / mauvaiseBonne / très bonneMoyenne Conduction de la chaleur Bonne / très bonneMoyenne / faibleFaible / très faibleFaible Conduction de lélectricité Bonne / très bonneFaible / très faible Facilité de mise en forme FacileDifficile (technique)Très facileMoyenne dépendant de la forme Facile (grde diffusion) Facilité dassemblageFacileMoyenneFaciledifficile 1 ère étape : comparaison qualitative

28 Caractéristiques intrinsèques (quantitatives) –grandeur physique objective et mesurable –Générales, Mécanique, Thermique, Electrique –prix,fraction recyclable,masse volumique………. –module de Young, coeff de poisson,dureté, limite d élasticité…………. –conductivité thermique, coeff de dilatation, température de fusion, temp maxi d utilisation,...…… –résistivité,constante diélectrique... Caractéristiques interactives (qualitatives) –grandeur mesurant le comportement du matériau avec un autre matériau ou un environnement –résistance à l eau douce, à l eau de mer, aux acide forts… –inflammabilité, résistance aux UV, résistance à l usure... Caractéristiques attribuées (booléennes) –perception du matériau dans un contexte socio-économique –les formes disponibles, les procédés d assemblage, les procédés de traitements de surface ….

29 Données numériques : fourchettes de valeur la précision augmente avec celle de la définition du matériau Exemple : aciers module de Young entre 190 et 210 GPa limite délasticité entre 250 et 2000 MPa alliages daluminium module de Young entre 70 et 80 GPa limite délasticité entre 100 et 650 MPa On peut tirer des conclusions sur les modules, mais pas sur les limites délasticité Données qualitatives en général trop difficiles à obtenir pour tous ces matériaux Données booléennes renseignent sur les possibilités de mise en œuvre, mise en forme et dassemblage (élimination)

30 Une autre présentation possible des propriétés : les cartes de sélection Propriété 1 Propriété 2 - Graphe dans un plan (prop 1, prop 2) - Matériaux représentés par des ellipses Avantages : - aperçu rapide de la dispersion - localisation des différentes classes de matériaux

31 Métaux Polymères Céramiques Composites PEEK PP PTFE WC ( carbure de tungstène) Alumine Verre de silice CFRP(carbone) GFRP(verre) module de Young, GPa Acier Cuivre Plomb Zinc Aluminum Exemple de carte de sélection (1 seule propriété)

32 Module de Young (GPa) Masse volumique (Mg/m 3 ) Module Masse volumique Exemple de carte de sélection


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