Sélection des matériaux et des procédés Contexte : Rationalisation du processus de conception  nombreuses méthodes Matériaux utilisés restent peu nombreux Possibilité d’intégrer des fonctions de la pièce dans le matériau Nécessité d’optimiser le choix des matériaux Mise au point d’une méthode (M.F. Ashby)

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

1 Démarche de conception 1.1 Principes généraux Conception d’une 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, d’assemblage… Point de départ : besoin du marché  importance de la définition et l’expression de ce besoin

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

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

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)

1.2 Choix 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 Structure du matériau Procédé Propriétés Fonction Fonction astreintes + objectifs Procédé matériau Forme

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

2 Les propriétés des matériaux 2.1 Qualité, propriété, caractéristique Qualité : type de la réaction d’un matériau exposé à un agent déterminé Propriété, caractéristique : grandeur décrivant l’ampleur 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

2.2 Les caractéristiques des matériaux Classement des propriétés des matériaux en 6 catégories (en fonction des agents auxquels ils sont exposés) : Mécaniques Electriques Thermiques Magnétiques Optiques Chimiques Bases de données sous forme numérique : mécaniques, thermiques, électriques

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

2.3 Les caractéristiques disponibles dans CES

Générales : Densité, prix Mécaniques : Module d’Young, limite d’élasticité, résistance, déformation à la rupture, limite d’endurance, ténacité, dureté Vickers, capacité d'amortissement Thermiques Température de fusion, chaleur spécifique, conductivité thermique, coefficient de dilatation thermique Electriques Résistivité Optiques Transparence Résistance à l’environnement Inflammabilité, solvants organiques, acides, bases, UV

Caractéristique Qualité Module d’Young Rigidité, capacité d’un matériau à s’opposer à une déformation Limite d’élasticité, résistance Résistance aux efforts Déformation à la rupture Ductilité (capacité à se déformer avant de rompre) Limite d’endurance 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 d’un 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

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 n : opposé du rapport des déformations transversale et longitudinale s t F E G g e Rque : matériaux homogènes isotropes

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) s sR se e eR

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 G1C et ténacité K1C

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 l conductivité thermique, f flux de chaleur, x distance entre les surfaces où sont mesurées les températures

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

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

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

3.2 Les 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 d’augmenter la résistance (durcissement structural) - denses, sensibles à la corrosion et à la fatigue

3.3 Les 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 l’usure et à la corrosion - prix élevé pour les céramiques techniques

3.4 Les polymères Macromolécules à squelette covalent exemple : (CH2-CH2)n Type de liaison : Van der Waals (liaison faible) Propriétés spécifiques : - deux températures spécifiques : transition vitreuse et dégradation - faibles propriétés élastiques - résistants à l’usure et à la corrosion Catégories : thermoplastiques, thermodurcissables, élastomères

3.5 Les matériaux composites Association d’éléments 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…) 3.6 Les matériaux naturels Deux catégories : origine végétale ou animale Exemples : bois, papier, carton, liège, fibres naturelles, cuir, laine…

3.7 Approche hiérarchique Sous classes Royaume Famille Classes Attributs Aciers Alliages Cu Alliages Al Alliages Ti Alliages Ni Alliages Zn 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Céramiques Polymères Métaux Naturels Composites Masse volumique Prop Mecaniques Prop Thermiques. Prop Electriques.. Résistances Corrosion …….. 5083 H2 5083 H4 ….. Matériaux Fiche d’un matériau Objectif : Donner un niveau d ’information compatible avec le niveau d’avancement de la conception

4 Approche comparative des matériaux 1ère étape : comparaison qualitative   Métaux Céramiques Polymères Composites Densité Moyenne / élevée Moyenne Faible / très faible Moyenne / faible Prix Faible / élevé Elevé (techniques) Elevé Faible (grde diffusion) Module d’Elasticité Très élevé Moyen / faible Résistance Mécanique Elevée Très élevée (compression) Tolérance aux défauts et aux chocs Très tenace Très fragile Peu tenaces mais grande énergie absorbée Température d’utilisation Moyenne / hautes Hautes / très hautes Moyennes / faibles Moyennes Tenue aux agressions chimiques Moyenne / mauvaise Bonne / très bonne Conduction de la chaleur Bonne / très bonne Faible Conduction de l’électricité Faible / très faible Facilité de mise en forme Facile Difficile (technique) Très facile Moyenne dépendant de la forme Facile (grde diffusion) Facilité d’assemblage difficile

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 ….

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 d’élasticité entre 250 et 2000 MPa alliages d’aluminium module de Young entre 70 et 80 GPa limite d’élasticité entre 100 et 650 MPa On peut tirer des conclusions sur les modules, mais pas sur les limites d’élasticité 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 d’assemblage (élimination)

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

Exemple de carte de sélection (1 seule propriété) 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 Module de Young (GPa) Masse volumique (Mg/m3) Module Masse volumique