Sélection des matériaux et des procédés

1. 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)

2. 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

3. 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

4. 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…

5. 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 procédés (moulage, usinage…) Choisir entre les grandes classes de matériaux (céramiques, métaux…) Analyse fonctionnelle Concept Clarifier la fonction Analyseur de fonction Choisir entre les familles d’une classe de procédés (moule en sable, moulage sous pression…) Définir les caractéristiques principales du produit Choisir entre les familles d’une grande classe de matériaux (aciers, fonte, Al…) Modeleur 3D Amélioration Simulation Méthodes d’optimisation Optimiser les formes Choisir entre les variantes d’une famille de procédés (moulage coquille, …) Choisir entre les nuances d’une famille de matériaux (Alliages 6000, 7000,..) Détail Modelisation des composants (FEM) Optimiser la réalisation (fabrication + assemblage) DFM / DFA PRODUIT

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. Fonction astreintes + objectifs matériau Forme Procédé • 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

8. 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)

9. 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

10. 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

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 d’assemblage • Formes disponibles

12. 2.3 Les caractéristiques disponibles dans CES

13. 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

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 n : opposé du rapport des déformations transversale et longitudinale s t F E G g e 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) s sR se e eR

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 G1C et ténacité K1C

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 l conductivité thermique, f 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. 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

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

22. 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

23. 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

24. 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

25. 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…

26. Royaume Famille Classes Sous classes Attributs 3.7 Approche hiérarchique 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

27. 4 Approche comparative des matériaux 1ère 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 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 Donnéesbooléennes  renseignent sur les possibilités de mise en œuvre, mise en forme et d’assemblage (élimination)

30. 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

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

32. Module Masse volumique Module de Young (GPa) Masse volumique (Mg/m3) Exemple de carte de sélection