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