sélection des matériaux et des procédés contexte : rationalisation du processus de conception...
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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…
• Idées fondamentales :Nécessité de faire des compromisChoix 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 d’une grande classe de matériaux (aciers, fonte, Al…)
Choisir entre les nuances d’une famille de
matériaux (Alliages 6000, 7000,..)
SELECTION DES MATERIAUX
Choisir entre les grandes classes de procédés (moulage,
usinage…)
Choisir entre les familles d’une classe de procédés (moule en sable, moulage sous pression…)
Choisir entre les variantes d’une 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 DECONCEPTION
Analyseur de fonction
Modeleur 3D
Simulation
Méthodes d’optimisation
• Outils informatiques pour les dernières étapesMéthode des éléments finis
Optimisation de la géométrie
Outil de dimensionnement
• Premières étapesPas 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
ProcédéStructure du
matériauPropriétés Fonction
matériau Forme
Fonctionastreintes
+objectifs
Procédé
• 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
RésistivitéIndique 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 : opposé du rapport des déformations transversale et longitudinale
EG
F
Rque : matériaux homogènes isotropes)1(2
EG
• 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
éesinemmagaénergie
dissipéeénergie
• 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
aYK C1
• 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
x
TT
dx
dT 21
• 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
pCa
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
Elastomères(caoutchouc, silicones..
Polymères,Thermoplastiques
(polystyrene,polyéthylène,PVCThermodurcissables
(résines)Mousses
(polystyrène expansé)
Boissoie
Matériaux Naturelscoton, cuir
papier
Matrice céramique
MatériauxComposites
Matrice métalliquematrice polymère
Verresbétons
Céramiques,verres
céramiques techniques(alumine, diamant,..
Porcelaine
AciersAluminium
or
Métaux et alliagesbronzefontes……...
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
Royaume Famille Classes AttributsSous
classes
• Céramiques
• Polymères
• Métaux
• Naturels
• Composites
Aciers
Alliages Cu
Alliages Al
Alliages Ti
Alliages Ni
Alliages Zn
1000
2000300040005000600070008000
Matériaux
Fiche d’un matériau
Masse volumique
Prop Mecaniques
Prop Thermiques.
Prop Electriques..
Résistances Corrosion
……..
5083 H25083 H4…..
Objectif : Donner un niveau d ’information compatible avec le niveau d’avancement de la conception
4 Approche comparative des matériaux
Métaux Céramiques Polymères Composites
Densité Moyenne / élevée Moyenne Faible / très faible Moyenne / faible
Prix Faible / élevé Elevé (techniques) Faible / élevé Elevé
Faible (grde diffusion)
Module d’Elasticité Elevé Très élevé Moyen / faible Elevé
Résistance Mécanique Elevée Très élevée (compression)
Moyenne / faible Elevée
Tolérance aux défauts et aux chocs
Très tenace Très fragile Peu tenaces mais grande énergie absorbée
Très tenace
Température d’utilisation
Moyenne / hautes Hautes / très hautes Moyennes / faibles
Moyennes
Tenue aux agressions chimiques
Moyenne / mauvaise Bonne / très bonne Moyenne Moyenne
Conduction de la chaleur
Bonne / très bonne Moyenne / faible Faible / très faible Faible
Conduction de l’électricité
Bonne / très bonne Faible / très faible
Facilité de mise en forme
Facile Difficile (technique) Très facile Moyenne dépendant de la forme
Facile (grde diffusion)
Facilité d’assemblage Facile Moyenne Facile difficile
1ère étape : comparaison qualitative
• 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 GPalimite 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
Propriété 1
Pro
prié
té 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
Métaux Polymères Céramiques Composites
PEEK
PP
PTFE
WC ( carbure de tungstène)
Alumine
Verre de silice
CFRP(carbone)
GFRP(verre)
mo
du
l e d
e Y
ou
ng
, GP
a
Acier
Cuivre
Plomb
Zinc
Aluminum
Exemple de carte de sélection(1 seule propriété)
Density (typical) (Mg/m^3)
0.01 0.1 1 10
Yo
un
g's
Mo
du
lus
(typ
ica
l) (
GP
a)
1e-004
1e-003
0.01
0.1
1
10
100
1000
Concrete
Titanium
Cork
PP
Flexible Polymer Foams
Rigid Polymer Foams
Tungsten Carbides
Steels Nickel alloys
Copper alloys
Zinc alloys
Lead alloys
Silicon CarbideAluminaBoron Carbide
Silicon
Al alloys
Mg alloys
CFRPGFRP
Bamboo
Wood
Plywood PET
PTFE
PE
PUR PVC
EVA
Silicone
Polyurethane
Neoprene
Butyl Rubber
Polyisoprene
Mod
ule
de Y
oung
(G
Pa)
Masse volumique (Mg/m3)
Module
Masse volumique
Exemple de carte de sélection