Unité 5. Concevoir les nouveaux matériaux : Combler l’espace des propriétés-matériaux 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

Sommaire Des discontinuités dans l’espace des propriétés Historique de la disparition de ces discontinuités Limites fondamentales Nouveaux matériaux Bibliographie “Materials Selection in Mechanical Design”, 4th edition by M.F. Ashby, Butterworth Heinemann, Oxford, 2011, Chapitres 11 et 12. 2

L’espace des propriétés : E et  Discontinuité Discontinuité

L’espace des propriétés : E et  Indice de performance Discontinuité intéressante E 4

L’espace des propriétés : a and l Indice de performance Discontinuité

L’évolution des matériaux structuraux Franklin Roosevelt 1933 - 1945 Queen Victoria 1837 - 1901 Henry VIII Julius Caesar The first king: Menes Early history 3000 BC 21e Siècle

Limites de l’espace des propriétés Mousses et réseaux Solides réels Densité de l’ Osmium Résistance théorique du diamant E/20 Résistance - densité Limite de l’espace Discontinuité

Réduire les discontinuités : combinaison 100% cuivre 30% Cu Discontinuité ? 10% Cu 5% Cu 100% Caoutchouc

Hybrides, composites ou “multi-matériaux” “Un matériau hybride ou composite est une combinaison de matériaux monolithes, dans une configuration et une échelle données, optimisée dans un objectif d’ingénierie Kromm et al, 2002 Variables: Choix des matériaux Fractions en volume Configuration Répartition Echelle Le calculateur de composites Explore les configurations, avec libre choix des matériaux Explore les structures Intègre des nouvelles configurations

Concevoir de nouveaux matériaux : hybrides ou composites - Concevoir de nouveaux matériaux : hybrides ou composites Trois approches parallèles Matériaux – associe les propriétés aux microstructures : contrôle des microstructures par le matériau et les procédés. Mécanique – en utilisant les propriétés intrinsèques, permet d’optimiser selon la géométrie/la forme Technologie Textile – exploite la résistance unique des organisations des fibres

Combinaison des technologies textiles, de la mécanique et des matériaux (a) Tissage simple Fibre carbone tissée Pièce en composite carbone (c) Le tissage kagome (b) Tissage 3D

Mousses et micro réseaux Mousses polymères 2mm Micro réseaux 500m Micro réseaux allongés

La flexion et l’allongement sont dominants Structure formée de b tiges et j points de liaisons fixes Des liaisons planes limitent les déformations de torsion mais autorisent les flexions Nombre de liaisons= j Nombre de tiges = b Force F Structure Rigide 0 degré de liberté 0 état de contrainte Des liaisons fixes imposent une dominante de déformation par allongement A mechanism -- 1 degree of freedom 0 states of self-stress Condition pour une primauté à l’allongement M = b - 2j + 3 = 0 2D M = b - 3j + 6 = 0 3D

L’espace des propriétés : E et  Discontinuité Indice de performance

Micro-treillis HOLE Discontinuité Plus : multifonctionalité Alu micro-trusses Alu foams Plus : multifonctionalité

Configuration : contrôle de la dilatation

L’espace des propriétés : a et l Indice de performance Discontinuité

Structures formées de motifs Charge – réponse déviée Assemblage, conditions compressives aux limites Monolithique Assemblage

En conclusion? Espace des propriétés multidimensionnel Uniquement partiellement occupé par des matériaux monolithiques Situation vraie pour toutes les propriétés Développement de matériaux : démarche Classique (R&D, chimie des polymères….) Echelle “Nano” (submicronique) (exploitation des relations échelle -propriétés) Matériaux hybrides /composites (fonction des matériaux, des configuration et des interconnections) La strategy: Produire un graphe laissant apparaitre les zones occupées Explorer les limites de ces zones Imaginer des façons de compléter le graphe Nouveau matériau : imaginer des nouvelles configurations

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. 20

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