Unité 10. Sélection de Procédés : Mise en forme, assemblage et traitement de surface Il y a des notes dans ce cadre à chaque diapositive Les 23 Unités de Cours de 2011 Sujet Numéro Nom Découvrir et Afficher les Informations Unité 1 The materials and processes universe (Les matériaux et l'univers des procédés) : familles, classes, membres, attributs Unité 2 Materials charts (Diagrammes de propriétés des matériaux) : cartographie de l'univers des matériaux Propriétés des Matériaux Unité 3 The Elements (Table des Eléments naturels ) : Origines des propriétés, tendances et interrelations Unité 4 Manipulating Properties (manipulation des propriétés) : Chimie, Microstructure, Architecture Unité 5 Designing New Materials (créer de nouveaux matériaux) : Combler les espaces vides des frontières des propriétés des matériaux. Séléction Unité 6 Translation, Screening, Documentation (Traduction, sélection et documentation) : Le premier pas d’une sélection optimisée. Unité 7 Ranking (hiérarchiser) : Affiner le choix Unité 8 Objectives in conflict (Objectifs en conflit) : Méthode de négociation et fonctions pénalisantes Unité 9 Material and shape (matériaux et formes) Unité 10 Selecting processes (sélection de procédés) : Mise en forme, assemblage et traitement de surface Unité 11 The economics (Le point de vue économique): modélisation économique pour permettre une séléction Développement Durable Unité 12 Eco Selection : L’outil “eco audit “ Unité 13 Advanced Eco design (conception écologique avancée) : sélection systémique des matériaux Unité 14 Low Carbon Power (énergies à basse empreinte carbone) : Emploi des matériaux et de l’intensité des ressources Sujets Spéciaux Unité 15 Architecture and the Built Environment (architecture et l’environnement construit) : matériaux de construction Unité 16 Structural sections (formes types des structures) : l’action des formes Unité 17 CES EduPack Bio Edition : Matériaux implantables naturels et fabriqués. Unité 18 Materials in Industrial design (les matériaux en conception industrielle) : Pourquoi les consommateurs achètent-ils des produits ? Enseignements et Recherches avancés Unité 19 Advanced Databases (Base de données avancées) : Niveau 3 Standard, Aérospatial et Polymères Unité 20 Hybrid Synthesizer (synthétiser des matériaux hybrides) : Modéliser des composites, des structures cellulaires et des panneaux sandwich. Unité 21 Database creation (création de bases de données) : Emploi de CES Constructor dans les recherches. Unité 22 Research (recherche) : CES Selector et Constructor Unité 23 Campus : aperçu général de cette base de données des polymères commerciaux

Ressources bibliographiques Sommaire Les Procédés et leurs attributs Sélection grâce aux attributs Sélection d’un procédé de mise en forme Sélection d’un procédé d’assemblage Sélection d’un procédé de traitement de surface Exercices pratiques Ressources bibliographiques “Materials : engineering, science, processing and design”, 2nd Edition, Chapter 18 and 19 “Materials Selection in Mechanical Design”, 4th edition Chapters 13 and 14 Quand les matériaux sont employés, ils doivent être mis en forme, assemblés voire subir un traitement de surface ou une superfinition. Le choix du matériau est étroitement lié aux procédés qu’il va subir. Ici, nous examinons la classification, la sélection et la caractérisation des procédés.

Procédés de fabrication Mise en Forme en Ébauche Fonderie Moulage Prototypage Moulage par injection Mise en Forme de Finition Usinage Forage Découpe Usinage Traitement de surface Peinture Polissage Traitement Th. Assemblage Soudage Adhésif Fixation Soudure Il y a 3 principales familles de procédés : Ceux qui mettent en forme – diviser par les procédés primaires de mie en forme, comme le moulage, et les procédés secondaires, comme l’usinage. Ceux qui assemblent les composants. Ceux qui traitent les surfaces et les structures. Les attributs de chaque famille diffèrent. De ce fait, les données sont enregistrées dans des répertoires différents. Lors de l’emploi de CES Edupack, il est nécessaire de choisir le niveau d’étude et la famille adaptée, avant d’ouvrir ou d’amorcer un exercice de sélection. Peinture

Organisation des données: L’arbre des Procédés Attributs Fiche procédé RTM Matériau Forme Gamme de taille Épaisseur mini Tolérance Rugosité Taille de la série Documentation -- spécifique -- général Soufflage Moulage/injection Difficile ! Univers Famille Classe Membre Coulée Déformation Moulage Composite Poudre Prototypage Compression Rotation Injection Injection sous vide (RTM) soufflage Chaque famille a des attributs différents. Assemblage Mise en forme Trait. surface Procédés Si les propriétés des procédés doivent être stockées en bases de données, une structure organisée est nécessaire. Cette classification des procédés permet d’organiser leurs informations en de nombreuses façons très pratiques et fonctionnelles, le parallèle de ceci vaut également pour les matériaux (voir leçon Unité 1). 3 familles : mise en forme – assemblage et finition/trait. de surface. Chacune contient un certain nombre de classes ; comme, les mises en forme, développées ici. Chaque classe a plusieurs membres, comme le suggère ici l’expansion du moulage. Chaque membre est caractérisé par un jeu d’attributs, certains sont numériques, et capables d’être structurés, certains sont basés sur des textes et des images, et stockées de façon non structurée. Un d’entre eux – comme les formes que peuvent produire un procédé – exige quelque explications.

Classification des formes Certains procédés conviennent pour des géométries simples, d’autres pour des géométries complexes. Toutes formes Prismatique Feuille Circulaire non-Circulaire Plat Galbé Plein et Rigide Creux 3D “Type de Forme” est l’attribut le plus difficile à décrire et à quantifier. De nombreux écrits ont tenté de les classifier ; aucun n’est vraiment satisfaisant. Nous avons exploré de nombreuses alternatives, et sommes revenus à ce résumé, présenté dans ce diagramme. Ici, les premiers éléments distinctifs sont partagés entre : Formes prismatiques produites par extrusion, ou roulage, voire filage. Formes issues de matériaux en feuille : par estampage, découpage, flutournage, emboutissage, matriçage, grignotage, … Formes tridimensionelles qui exigent des changements importants de sections et de formes, comme en fonderie, moulage et un grand nombre de procédés plus élaborés. Tréfilage, extrusion, laminage, laminage de profilés: Géométries prismatiques Estampage, pliage, repoussage, emboutissage profond: Géométrie planes Coulée, moulage, méthodes des poudres: Géométries 3-D

Données structurées du Moulage par injection * Moulage par injection (thermoplastiques) Le moulage par injection des thermoplastiques est l’équivalent du moulage sous pression des métaux. Le polymère fondu est injecté sous haute pression dans un moule froid. en acier Le polymère se solidifie sous pression et la pièce moulée est ensuite éjectée. Forme Tore à section prism. Oui Prism. non circulaire Oui Solide 3-D Oui Creuse 3-D Oui Attributs économiques Taille de la série (unités) 1e+004 - 1e+006 Coût relatif de l’outillage élevé Coût relatif de l’équipement élevé Attributs physiques Gamme de poids 0.01-25 kg Rugosité 0.2 - 1.6 µm Gamme d’épaisseur 0.4 - 6.3 mm Tolérance 0.1 - 1mm Modélisation du coût Indice de coût (par unité) Caractéristiques du procédé Discontinu Oui Proc. mise en forme primaire Non + liens vers les matériaux Revenons maintenant aux attributs : Ceci est un exemple de données structurées pour un procédé de mise en forme. Les attributs physiques incluent la forme et la taille de pièce qui peut être faite (la gamme de masse attendue), la rugosité de surface, l'épaisseur minimale de cloison(souvent limitée par la capacité du matériau à s’écouler dans des canaux étroits) et la précision ou la tolérance qu’il doit respecter. Les informations structurées incluent l’identification du procédé comme discontinu (ou impulsif, comme le timbrage) ou continu (comme le tréfilage, l’extrusion de fil,…) et des informations économiques ; le plus couramment, la taille du lot économique (la quantité de la production engagée doit amortir le coût des outils, des moules, des matrices, etc.) Les contraintes clés dans le choix d'un procédé sont la forme, la taille du lot, et le matériau mis en forme (associés par les liens vers la bdd des matériaux). Facteurs clés pour la sélection d’un procédé de mise en forme Utilisations typiques Le moulage par injection est utilisé ….. *Utilisant CES EduPack base de Niveau 2 (Le facteur économique est toujours important)

Données non structurées sur le moulage/inject * Le procédé. La plupart des pièces petites et complexes des jouets d’enfant, boites de CD, téléphones etc, sont moulées par injection. Le moulage par injection des thermoplastiques est l’équivalent du moulage sous pression des métaux. Le polymère fondu est injecté dans un moule froid en acier. Le polymère se solidifie sous pression puis la pièce est ensuite éjectée. Il existe différents types de machines de moulage par injection, mais celle actuellement la plus utilisée est la machine à vis sans fin, dessinée schématiquement ci-contre. Les granulés de polymère alimentent une presse à spirale (vis sans fin) chauffée, similaire à un hachoir à viande. Ils sont mélangés et ramollis comme du mastic, puis injectés sous pression dans le moule à travers des canaux d’alimentation (« grappe » ou « carotte »). Guides de conception. Le moulage par injection est la meilleure manière de produire en grande quantité des pièces en plastiques, petites, précises avec des géométries complexes. Le fini de surface est bon ; la texture et la forme peuvent être moulées ainsi que les détails fins. La seule opération de finition est l’enlèvement des carottes d’injection. Aspects économiques. Le capital investi varie de moyen à élevé ; le coût de l’outillage est élevé, ce qui rend l’opération de moulage rentable économiquement seulement pour un grand nombre de pièces (typiquement 5000 à 1 million). La vitesse de production peut être particulièrement élevée pour de petits moulages. Des moules avec des empreintes multiples sont souvent utilisés. Le procédé est presque exclusivement utilisé pour une production de masse. Des prototypes de moulage peuvent être fabriqués en utilisant des moules à empreinte unique, fabriqués à partir de matériaux peu coûteux, ou en prototypage rapide. La qualité peut être élevée, mais au détriment de la vitesse de production. Ce procédé peut être utilisé pour fabriquer des pièces en matériaux thermodurcissables ou en élastomères. Utilisation typique. L’utilisation est extrêmement variée par exemple : usage domestique, manches à outils, plomberie, etc. Considérations environnementales. Les carottes de thermoplastiques peuvent être recyclées. Des hottes d’extraction sont parfois nécessaires pour les fumées volatiles. L’exposition à la poussière doit être prise en compte lorsque l’on développe de nouvelles résines. Un fonctionnement défectueux des contrôleurs de température peut être très dangereux. La majorité des informations sur les procédés est spécialisée et mieux enregistrée en textes et images. Ces textes incluent des conseils de conception, des informations technologiques, des exemples d’application, un commentaire d’emploi économique, et identifie toute influence environnementale éventuelle. Elles sont stockées en tant que données non structurées comme montrées ici. *Utilisant CES EduPack base de Niveau 2

Trouver l’information avec CES Browse Select Search Barre d’outils Tools Search web Assemblage Mise en Forme Traitement de Surface Univers des procédés + Univers des Procédés Edu Niveau2 Table : (domaine) Subset : (niveau de recherche) Trouver quoi ? Dans quelle table ? RTM Procédés Classe Fonderie Déformation Moulage Mise en forme des Composites Mise en oeuvre des Poudres Prototypage Rapide Membre par Compression par Rotation par Injection RTM par Soufflage ... Les trois niveaux du logiciel utilisent la même interface graphique familière. Cette diapo présente deux des boutons de la barre d’outils principale. Le bouton Browse vous permet d’explorer le contenu des base de données de chaque domaine, en parcourant son arborescence. Lorsque vouc cliquez ce bouton, le premier niveau de l’arbre apparait (les familles). Chaque famille, ou membre de la famille, peut être expansé en double cliquant sur son nom. Le bouton Search permet la recherche d’un texte complet dans tout ou partie de la base de données, identifiant tous les enregistrements qui contiennent un des mots ou une chaine de caractères saisis dans la case“Find what ?”

Organisation des données : Assemblage Famille Univers Traitement de surface Assemblage Mise en forme Procédés Adhésifs Soudage Fixations Classe Brasage Brasure Gaz Arc Faisceau d’e-... Membre Gas welding Material Joint geometry Size Range Section thickness Relative cost ... Documentation Soudure gaz Matériaux Géométrie de l’assemblage Gamme de taille Épaisseur Coût relatif ... Attributs par Recouvrement en Bout à bout par Emmanchement En écharpe En T Géométrie d’assemblage Nous avons développé jusqu’ici uniquement les procédés de mise en forme. Les deux autre familles – assemblage et traitement de surfaces – peuvent être structurées et sélectionnées de la même façon. La diapo ci-contre montre le développement de l’arbre “Assemblage”, avec la classe “Soudage” développée pour indiquer ses membres et quelques uns de ses attributs. Certains attributs sont spécifiques aux assemblages. Un d’entre eux est la géométrie du joint que le procédé peut produire. Ceci est illustré au bas de la diapo.

Fiche sur un procédé d’assemblage * Soudage à l’arc, électrode de tungstène (TIG) Le soudage à l’arc avec une électrode de tungstène (TIG= Tungsten Inert-Gas) est le 3ème des trois grands procédés de soudage à l’arc (les deux autres étant le MMA : « Manual Metal Arc » ou soudage à l’arc avec électrode consommable et MIG : « Metal Inert Gas » ou soudage à l’arc sous atmosphère inerte). C’est le plus propre et aussi le plus précis des procédés mais le plus coûteux. D’un certain point de vue, il est très similaire au soudage MIG : un arc électrique est créé entre une électrode de tungstène non consommable et la pièce, entourée par un gaz inerte (argon, hélium, dioxyde de carbone) pour protéger le métal fondu de la contamination. Géométrie de l'assemblage Recouvrement True Bout à bout True Emmanchement True En écharpe True Jonction en T True Facteurs clés pour la sélection d’un procédé d’assemblage Matériaux à assembler Métaux True Attributs économiques Coût relatif de l'outillage Faible Coût relatif de l'équipement Moyen Importance de la main d'oeuvre Faible Attributs physiques Épaisseur de la section 0.7-8mm Épaisseurs inégales True Taille de la pièce Non-limité Préparer la surface True Cette diapo montre les données d’un procédé d’assemblage. Les attributs proposés sont ceux qu’utilisent les ingénieurs pour choisir un procédé d’assemblage. Ils diffèrent de diverses manières (mais pas de manière inattendue) de ceux des procédés de mises en formes. Certains attributs – matériau, taille, et généralement données économiques – sont communes à tous les procédés. Mais, les autres – géométrie du joint, aptitude à assembler des matériaux différents, ou à être désassemblés, etc. – sont spécifiques aux procédés d’assemblage. Les contraintes clés d’une sélection de procédé d’assemblage sont les matériaux à lier et la géométrie du joint. + liens vers matériaux Utilisation typique Le soudage à l’arc est utilisé………. Documentation *Utilisant CES EduPack base de Niveau 2

Organisation des données : Trait. de Surface Monde Famille Trait. Therm. Peinture/impress Revêtement Polissage Texture ... Classe Electro-placage Anodisation Par poudre Métallisation... Membre Fiche procédé Anodize Material Why treatment? Coating thickness Surface hardness Relative cost ... Documentation Anodisation Matériau Fonction Épaisseur du revêtement Dureté du revêtement Coût relatif Attributs Assemblage Mise en forme Procédés Isolation thermique Isolation électrique Couleur Texture Décoration …. Augmenter la dureté Résistance à l’usure Résistance à la fatigue Résistance à corrosion Résistance à oxydation But du Traitement Traitement de surface Nous avons traité des procédés de mise en forme et d’assemblage. Il reste la famille des traitements de surface. Elle peut être structurée et sélectionnée de la même façon. Cette diapo propose l’arbre des traitements de surface, avec la classe des revêtements développée, pour montrer ses membres et quelques uns de ses attributs. Un attribut spécifique aux de cette famille est la fonction du traitement de surface. Les fonctions typiques sont listées au bas de la diapo.

Fiche sur un traitement de surface * Durcissement par induction et à la flamme L'idée ici est la suivante : prenez un acier à moyen ou à haut taux de carbone – bon marché, facilement mis en forme et usiné — et faites monter très rapidement sa température de surface dans la zone de la phase austénitique à partir de laquelle il est rapidement refroidi par une jet de gaz ou de liquide, ce qui donne une couche de surface martensitique. Le résultat est un corps robuste avec une couche de surface dure et résistante à l'abrasion et à la fatigue. Ces deux procédés permettent de durcir la surface d'aciers au carbone avec le minimum de déformations ou d'oxydation. Facteurs clés pour la sélection d’un traitement de surface Fonction du traitement Dureté True Résistance à la fatigue True Résistance à l'abrasion True Contrôle de la friction True Attributs économiques Coût relatif de l'outillage Faible Coût relatif de l'équipement Moyen Importance de la main d'œuvre Faible Attributs physiques État de surface Très lisse T° de mise en oeuvre 453.9 - 520.9 °C Recouv. des surfaces courbes Moyen Épaisseur de l'enduction 300 – 3000 µm Dureté de surface 420 - 720 Vickers Documentation Cette diapo montre des données structurées et non structurées pour un un procédé de traitement de surface. L’attribut le plus critique est la fonction que le traitement de surface doit assurer, et le matériau qui va recevoir ce traitement, accessible par les liens (en bas des fiches). Les contraintes clés d’une sélection d’un procédé de traitement de surface sont le matériau à traiter, et la fonction du traitement de surface + liens vers matériaux Utilisation typique Le durcissement par induction est utilisé ….. *Utilisant CES EduPack base de Niveau 2

Les points principaux Les procédés peuvent être organisés en une arborescence de fiches contenant les données structurées et les informations complémentaires L’arborescence permet une recherche facile des données liées aux procédés Les Liens mettent en correspondance les procédés et les matériaux adaptés. Sélectionner dans un premier temps à partir des contraintes principales Mise en forme: matériau, forme et taille de série Assemblage: matériau(x) et géométrie d’assemblage Traitement de surface: matériau et fonction du traitement Ajouter ensuite autant de contraintes secondaires que nécessaire. Les procédés peuvent être classifiés et leurs informations stockées et manipulées de façons similaires aux matériaux. Dans cette leçon, nous avons exploré : Comment les informations des procédés peuvent être organisées en une structure hiérarchisée. Comment trouver une information de mise en forme, d’assemblage et de traitement de surface. comment les procédés sont sélectionnés pour correspondre à certaines contraintes, en utilisant de simples filtres de tri. Le choix final du procédé est piloté par l’aperçu issu des recherches de documentation, et par une analyse plus détaillée des coûts (voir unité 11). Documentation dans CES, et sur http://matdata.net

Pause pour une démo

Sommaire des leçons disponibles Le diaporama de cette leçon est disponible sur le site web des Ressources d’enseignement C’est dans ce cadre que se trouvent les notes explicatives. Chaque diapo d’une leçon comporte des notes explicatives. Vous pouvez les consulter en ouvrant le diaporama en mode [“Normal”], ou en cliquant sur l’icône correspondante dans la barre d’outils inférieure. 15

Il y a plus de 200 ressources disponibles Incluant : Auteur Il y a plus de 200 ressources disponibles Incluant : 77 diaporamas des Exercices avec leur solution des séquences enregistrées sur le web. des Posters des Rapports d’analyse des Manuels de Solutions des études de cas interactifs Mike Ashby University of Cambridge, Granta Design Ltd. www.grantadesign.com www.eng.cam.ac.uk Reproduction Ces ressources sont soumises aux droits d'auteur de Mike Ashby. Vous pouvez reproduire ces ressources pour les utiliser avec des étudiants, pourvu que vous ayez acheté les droits d'accès aux ressources d'Enseignement de Granta Design. Assurez-vous, s'il vous plaît, que Mike Ashby et Granta Design sont cités sur toutes vos reproductions. Vous ne pouvez utiliser ces ressources pour des buts commerciaux. Précision / Pertinence Traduction Nous remercions encore Jean-Noël Chouard du Lycée Victor Bérard de Meroz pour avoir traduit cette ressource. Les personnes souhaitant entrer en contact avec M. Chouard au sujet de cette traduction peuvent le contacter à l’adresse suivante : microbox2@orange.fr Nous faisons tout pour que ces ressources soient d'une grande qualité. Si vous avez des suggestions pour des améliorations, contactez-nous s'il vous plaît par courrier électronique à : teachingresources@grantadesign.com Granta Design est toujours interessé par les retours d’information sur les bons résultats obtenus avec diverses ressources. Si vous employez avec succès des cours que vous pensez utiles à proposer sur notre site web, s’il vous plait, prenez contact par mail à l’adresse : teachingresources@grantadesign.com Nous continuons de coordonner un symposium annuel sur les matériaux. Vous pouvez consulter les documents correspondants à l’adresse : http://www.grantadesign.com/symposium/index.htm © M. F. Ashby, 2011 Le site Web "Ressources d'Enseignement" vise à aider l'enseignement des matériaux, et les cours correspondants en Conception, Ingénierie et Science. Les ressources sont fournies dans des formats divers et sont destinées principalement à la formation des étudiants. Ce cours fait partie d'un ensemble créé par Mike Ashby pour aider à présenter aux étudiants, les matériaux, les procédés et une sélection rationnelle. Le site Web contient aussi d'autres ressources apportées par plus de 800 universités et lycées du monde entier, employant CES EduPack de Granta Design. Ce site Web contient deux catégories de ressources, qui, soit exigent l'emploi de CES EduPack, soit ne l'exigent pas. www.grantadesign.com/education/resources