Besoins du marché : définition du problème. Concept (exploration de solutions au problème) Choix de la classe de procédés (moulage, déformation,...

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Francis Leroy
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..) Besoins du marché : définition du problème Concept (exploration de solutions au problème) Définition générale du produit Besoins de connaissance sur les

1 Plan de cours Objectifs: Besoins de connaissances sur les matériaux Choix de la famille de matériaux (métaux,céramiques...) Choix de la classe d un matériaux (acier, alliage d aluminium...) Besoins du marché : définition du problème Concept (exploration de solutions au problème) Définition générale du produit Besoins de connaissance sur les procédés de fabrication Choix de la famille de procédés (mise en forme, traitement de surface...) Choix de la classe de procédés (moulage, déformation,...) Choix du matériau (acier inoxydable 304, 6061 Al) Détails (optimisation de forme, fabrication et assemblage...) Choix du procédé (moulage par injection) Produit

2 Introduction Objectif cours 1,2 et 3: Vue d ensemble du monde des matériaux et leurs implications dans le processus de conception Connaître les trois classes de matériaux Caractéristiques macroscopiques Caractéristiques microscopiques Relation contrainte déformation ductile/fragile/élastique N L Analyse d un essai de traction Limite d élasticité, limite à la rupture, allongement à la rupture module d élasticité. Autres propriétés physiques des matériaux

3 Historique En 200 ans le nombre de matériaux disponible à l ingénieur est passé de quelques centaines à près de

4 Historique Ashby (2005)

5 Historique Évolution des matériaux dans les aspirateurs : a) 1905 b) 1950 d) 1985 d) 1998

6 Classification Par domaine d application : génie mécanique

7 Classification Par domaine d application : Aéronautique

8 Classification Par domaine d application : Génie civil et architecture

9 Classification Par domaine d application : biotechnologie

10 Classification Par la nature atomique :

11 Classification Tous les matériaux solides sont regroupés sous 3 (ou 5)classes :

12 Classification To us les matériaux solides sont regroupés sous 3 (ou 5)classes :

13 Matériau en forte croissance Consommation Consommation mondiale annuelle des matériaux (Ashby 2007) 10x plus que tous les autres métaux combinés Matériaux de construction dominant Consommation comparables

14 Classification Les matériaux d une même classe auront des propriétés de base similaires : Module d élasticité Limite d élasticité Expansion thermique Conduction thermique Conduction électrique

15 Classification Les familles occupent des régions discrètes Les matériaux d une même classe auront des propriétés de base similaires : Module d élasticité Limite d élasticité Expansion thermique Conduction thermique Conduction électrique Échelle logarithmique

Sélection des matériaux Fonction Matériaux Forme Tous ces choix sont interdépendants Procédé de fabrication Un matériau pour une application donnée doit

16 Sélection des matériaux Fonction Matériaux Forme Tous ces choix sont interdépendants Procédé de fabrication Un matériau pour une application donnée doit répondre aux quatre exigences suivantes: Exigences physiques Exigences techniques Exigences économiques Exigences sociales/environnementales Exigences inconnues

17 Sélection des matériaux Processus de sélection dans lors de la conception d un produit: Fonction Contraintes Objectifs Variables libres Que fait le composant? Quelles conditions non négociables sont rencontrées Qu'est ce qui doit être maximisé ou minimisé? Quels paramètres du problème sont modifiables par le concepteur?

18 Les concepts Sélection des matériaux Exemple de la conception d un tire bouchon La solution retenue

Sélection des matériaux Choix du matériau pour le bras de levier du tire bouchon Fonction Contraintes Objectifs Variables libres Levier (poutre en flexion) Assez rigide

19 Sélection des matériaux Choix du matériau pour le bras de levier du tire bouchon Fonction Contraintes Objectifs Variables libres Levier (poutre en flexion) Assez rigide Assez solide Assez tenace Résiste à la corrosion dans l eau et le vin Longueur est spécifiée Minimiser le coût Choix du matériau Choix de la section (normale sur le dessin)

20 Sélection des matériaux Choix du matériau pour le bras de levier du tire bouchon

21 Propriétés des matériaux Pour utiliser convenablement un matériau il faut connaitre et caractériser ses propriétés physiques Mécaniques Thermiques Propriétés Électriques, magnétiques et optiques Chimiques

22 Propriétés des matériaux Propriétés mécaniques Propriétés thermiques

23 Propriétés des matériaux Propriétés électriques, magnétiques et optiques Propriétés chimiques

24 Projection du nombre de voitures en chine D après US Department of energy (2006) Aspect environnementaux Croissance de la demande en matériaux est exponentielle: Augmentation du niveau de vie Augmentation démographique

25 Aspect environnementaux Cycle de vie d un produit Comment réduire l empreinte écologique? Concevoir le produit de manière à réduire la quantité de matériel et d énergie nécessaire et la quantité de résidus générés à chacune des phases du cycle de vie. Prévoir ce qui advient du produit une fois sa durée de vie terminée. Puisque les ressources de la planète ne sont pas infinies, la vie d un produit doit être considérée comme un cycle et non comme un processus linéaire allant de l extraction à l élimination.

Aspect environnementaux Comment réduire l empreinte écologique? Mettre de l emphase sur la phase la plus énergivore du cycle de vie du produit.

26 Aspect environnementaux Comment réduire l empreinte écologique? Mettre de l emphase sur la phase la plus énergivore du cycle de vie du produit. Pour la gestion des matières résiduelles : 3RVE (prioriser cet ordre) Réduction à la source; Réutilisation; Recyclage; Valorisation; Enfouissement.

27 Aspect environnementaux Facteurs influençant la quantité de matériaux et d énergie utilisés

28 Aspect environnementaux Comparaison de l énergie de production des matériaux (par masse)

29 Aspect environnementaux Comparaison de l énergie de production des matériaux (par volume)

30 Aspect environnementaux Étude de cas: Eco sélection du matériau (i) barrière d autoroute et (ii) pare-choc

31 Indices de performance du matériau Aspect environnementaux Exemple d éco sélection du matériau (i) barrière d autoroute et (ii) parechoc

32 Aspect environnementaux Exemple d éco sélection du matériau (i) barrière d autoroute

33 Aspect environnementaux Exemple d éco sélection du matériau (ii) pare-choc

34 Rappel sur les dimensions et unités Dimensions et unités?

35 Rappel sur les dimensions et unités Dimensions fondamentales ou de base: Longueur L Masse M Temps t Température Courant électrique I Intensité lumineuse I v Quantité de matière N Dimensions secondaires (groupements formés à partir d unités fondamentales) exemple: - Volume L 3 - Densité M/L 3 - Force ML/t 2 - Pression M/(t 2 L) - Etc

36 Rappel sur les dimensions et unités Système International (SI) voir site

37 Rappel sur les dimensions et unités Attention à l uniformité des dimensions et des unités dans les formules Préfixe Symbole Facteur Yotta Y Zetta Z Exa E Peta P Tera T Giga G 10 9 Mega M 10 6 Kilo k 10 3 Hecto h 10 2 Deka da 10 1 Préfixe Symbole Facteur Deci d 10 1 centi c 10 2 milli m 10 3 micro 10 6 nano n 10 9 pico p femto f atto a zepto z yocto y 10 24

38 Rappel sur les dimensions et unités Nombre sans dimension et effets d échelle

39 Attributs Les matériaux de la semaine Béton Classification Céramique Prix ($/kg) 0.05 Densité (kg/m 3 ) Module d élasticité (GPa) Résistance compression (MPa) Résistance traction(mpa) Le béton est un composite très complexe et peu cher. La matrice est du ciment; le renfort, un mélange de sable et de gravier ('agrégat'), occupant 60 80% du volume. L'agrégat accroît la rigidité et réduit le coût. Le béton est résistant en compression mais craque facilement en traction. Ceci est combattu en ajoutant des renforts d'acier. Le béton renforcé peut supporter des charges utiles même lorsque craqué. Composition (résumé) 6:1:2:4 Eau: ciment Portland : Agrégat fin : Agrégat grossier

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