Science & Génie des Matériaux

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1 Objectifs Un bon composant (produit, objet) utilise les matériaux les mieux adaptés à sa fonction (critères de choix) exploite pleinement le potentiel et les caractéristiques de ces matériaux par une géométrie adéquate (indice de performance) pour donner satisfaction à l utilisateur et présenter un bon rapport qualité/prix. Objectifs de cet enseignement en TD : L étudiant doit être capable de définir : les critères de choix des matériaux et la géométrie de la section d un objet pour avoir le meilleur «indice de performance matériau» (ref. Materials selection in mechanical design M.F. Ashby, Elsevier, 2005) L ensemble des transparents ainsi que toutes les informations relatives aux TD seront postés sur le site «Spiral Connect» de l UCBL. Consulter ce site périodiquement pour les mises à jour des informations sur le déroulement des TD., Professeur IUT SdM (S3) (1) Campus de la Doua, Bat. Brillouin binh.vu-thien@univ-lyon1.fr

2 Téléchargement des transparents des TD 1. Se connecter directement à SPIRAL Connect 2. Cliquer sur «TD Critères Choix Matériaux» puis sur «Transparents» pour accéder aux transparents des différents chapitres. 3. Vous pouvez soit télécharger soit consulter directement les transparents IUT SdM (S3) (2)

3 Les matériaux : Critères de choix : vue synthétique 1. Conditions d utilisation Ce sont les conditions d utilisation qui déterminent les propriétés que devra posséder le matériau choisi. Il est rare qu un seul matériau possède l ensemble des propriétés recherchées, il devient parfois nécessaire de faire un compromis entre les exigences pour obtenir l ensemble des propriétés voulues (exemple: résistance et ductilité) 2. Dégradation des propriétés résultant de son utilisation (exemple: diminution de la résistance mécanique par exposition à la température ou aux agents chimiques) 3. Facteurs économiques, coût du produit fini Le coût d une pièce englobe le coût du matériau et le coût de sa mise en œuvre (forme de la pièce et procédés). IUT SdM (S3) (3)

4 Les matériaux : Critères de choix: objectif des TD : «structures» et «propriétés» des matériaux 1. Conditions d utilisation 2. Dégradation des propriétés résultant de son utilisation 3. Facteurs économiques, coût du produit fini Une appréciation correcte de ces trois critères nécessite une maîtrise quantitative de la «structure» et des «propriétés» des différents matériaux ATTENTION: Il doit être compléter par une étude plus détaillée si on vise une maîtrise complète des propriétés de ces différents matériaux Acquis: Etre capable de fournir des réponses à certaines données des critères 1, 2 et 3 (voir rappels au Chapitre 2 Classification et propriétés) L objet de cet enseignement est de fournir à l étudiant les bases de cette approche quantitative pour cette appréciation avec l élaboration de l indice de performance. Etre capable de calculer l indice de performance matériau avec et sans facteur de forme IUT SdM (S3) (4)

5 Contenu de cet enseignement Chapitre 0 : Ce fichier en anglais, extrait d'un Handbook, permet d'avoir un aperçu concis sur les différentes étapes d'une approche quantitative de la sélection des matériaux. Il est conseillé aux étudiants d'en prendre connaissance : 00_Selection des Matériaux_une vue globale.pdf Chapitre 1 : Introduction: choix des matériaux vs génie des matériaux : * place du «choix des matériaux» dans l ensemble du processus «conception d un objet». 01_Introduction.pdf Chapitre 2 : Classification des matériaux : * rappels sur les propriétés des matériaux. 02_Classification et propriétés.pdf Chapitre 3 : Notion de l indice de performance: * définition de la fonction objectif * définition de la fonction contrainte * extraction de l indice de performance sans le facteur de forme 03_Indice de performance.pdf IUT SdM (S3) (5)

6 Contenu de cet enseignement Chapitre 4 : Notion de l indice de performance: * extraction de l indice de performance avec le facteur de forme 04_Indice de performance & facteur de forme.pdf Chapitre 5 : par l utilisation des diagrammes d Ashby : * utilisation de l indice de performance et des diagrammes d Ashby pour déterminer les matériaux adéquats pour un objet donné 05_Choix vs Diagrammes Ashby.pdf Chapitre 6 : par l utilisation des diagrammes d Ashby et du facteur de forme : * L utilisation de l indice de performance avec le facteur de forme et des diagrammes d Ashby pour déterminer les matériaux adéquats pour un objet donné 06_Choix vs Diagrammes Ashby & facteur de forme.pdf IUT SdM (S3) (6)

7 Chapitre 1 - INTRODUCTION : Génie des matériaux Signification de «Génie des matériaux» Conception et mise au point de structures conférant à un matériau un ensemble de propriétés préétablies, en fonction des procédés de fabrication et fonctions d un objet Définition du terme «conception»: Trois types de conception: 1. Conception originale: implique une nouvelle idée ou un nouveau principe de fonctionnement. (e.g. moteur à réaction vs propulsion à hélice, stylo à bille vs plume à encre, CD ou DVD vs bande magnétique, écrans plats vs tube cathodique, ) 2. Adaptation: améliorer un concept existant en affinant son principe de fonctionnement. (e.g. disque durs magnétiques vs des bandes magnétiques, walkman vs transistor, 4x4 vs traction avant, ). 3. Conception dérivée: changement d échelle, de dimensions, de niveau de détail sans changement de la fonction ou de la méthode utilisée. (super-tanker vs horsbord, voilier de course vs voilier de plaisance, ). Dans tous les cas l impulsion vient du développement de nouveaux matériaux IUT SdM (S3) (7)

8 Chapitre 1 - INTRODUCTION : Génie des matériaux Signification de «Génie des matériaux» Conception et mise au point de structures conférant à un matériau un ensemble de propriétés préétablies, en fonction des procédés de fabrication et fonctions d un objet Définition du terme «structure»: Organisation des éléments constitutifs d un matériau * à l échelle atomique (métaux, semiconducteurs, céramiques, polymères, ) * à l échelle microscopique (nanomatériaux, composites, alliages, ) * à l échelle macroscopique (structures sandwich, ) Définition du terme «propriétés»: (caractéristiques correspondant aux réactions d un matériau exposés à des agents extérieurs, indépendamment de leur forme et de leur dimension) * mécaniques * magnétiques * électriques * optiques * thermiques * chimiques IUT SdM (S3) (8)

9 Chapitre 1 - INTRODUCTION : Génie des matériaux Les 5 étapes de la conception pour définir le cahier des charges d un nouvel objet besoin du marché: 1une idée de l objet fabrication & commercialisation 5cahier des charges 2 * structure fonctionnelle de l objet * principe de fonctionnement * définition de spécifications * évaluation de toutes les alternatives (CONCEPT) Itération ( ) 4 * choix de quelques (ou 1) solutions 3* définition de la taille et la forme * prédimensionnement et choix des matériaux * décision sur une configuration (CONCRETISATION) * analyse détaillée des matériaux (mécaniques, thermiques, ) * choix du mode de fabrication * optimisation des performances et des coûts (DETAIL) IUT SdM (S3) (9)

10 Chapitre 1 - INTRODUCTION : Génie des matériaux Le choix des matériaux intervient à chaque étape de la conception, en particulier aux étapes 2 et surtout 3 et 4: Etape 2 CONCEPT : à ce stade, le problème n est pas la précision mais l exhaustivité des données. Toutes les options sont possibles le concepteur a besoin de valeurs approchées pour les propriétés, mais concernant le plus grand nombre possible de matériaux utilisation de diagrammes. Etape 3 CONCRETISATION : le choix est réduit à un plus petit groupe de matériaux données dans les handbooks et tables de données spécialisées. Etape 4 DETAIL : un matériau est choisit données extraites des fiches descriptives des fabricants et aussi des essais internes pour certaines propriétés critiques du matériau. Remarque importante: le choix du matériau est inséparable du choix du procédé et de la géométrie de l objet géométrie Objet Fonction matériaux Cahier des charges procédé IUT SdM (S3) (10)

11 Chapitre 1 - INTRODUCTION : Génie des matériaux besoin du marché: 1une idée de l objet fabrication & commercialisation 5cahier des charges 2* structure fonctionnelle de l objet * principe de fonctionnement * définition de spécifications * évaluation de toutes les alternatives (CONCEPT) IUT SdM (S3) (11) Itération ( ) Objectifs de cet enseignement de TD : définir les critères de choix des matériaux et la géométrie d un objet * choix de quelques (ou 1) solutions 3* définition de la taille et la forme * prédimensionnement et choix des matériaux * décision sur une configuration (CONCRETISATION) (ref. Materials selection in mechanical design M.F. Ashby, Elsevier, 2005) * analyse détaillée des matériaux 4 (mécaniques, thermiques, ) * choix du mode de fabrication 4* optimisation des performances et des coûts (DETAIL) pour avoir le meilleur indice de performance

12 Chapitre 1 - INTRODUCTION : Etude de cas: robot AIBO A partir d un produit fini, le robot Aibo définit par Sony, redéfinir les différentes étapes de la conception de robot chien de compagnie IUT SdM (S3) (12)

13 Chapitre 1 - INTRODUCTION : Etude de cas: robot AIBO besoin du marché: 1une idée de l objet IUT SdM (S3) (13)

14 Chapitre 1 - INTRODUCTION : Etude de cas: robot AIBO besoin du marché: 1une idée de l objet IUT SdM (S3) (14)

15 Chapitre 1 - INTRODUCTION : Etude de cas: robot AIBO 2* structure fonctionnelle de l objet * principe de fonctionnement * définition de spécifications * évaluation de toutes les alternatives (CONCEPT) IUT SdM (S3) (15)

19 Chapitre 1 - INTRODUCTION : Etude de cas: robot AIBO * choix de quelques (ou 1) solutions 3* définition de la taille et la forme * prédimensionnement et choix des matériaux * décision sur une configuration (CONCRETISATION) IUT SdM (S3) (19)

20 Chapitre 1 - INTRODUCTION : Etude de cas: robot AIBO * choix de quelques (ou 1) solutions 3* définition de la taille et la forme * prédimensionnement et choix des matériaux * décision sur une configuration (CONCRETISATION) IUT SdM (S3) (20)

21 Chapitre 1 - INTRODUCTION : Etude de cas: robot AIBO * analyse détaillée des matériaux 4 (mécaniques, thermiques, ) * choix du mode de fabrication * optimisation des performances et des coûts (DETAIL) IUT SdM (S3) (21)

22 Chapitre 1 - INTRODUCTION : Etude de cas: robot AIBO IUT SdM (S3) (22)

23 Exercices 1. Choisissez un objet industriel actuel et faire l analyse des différentes étapes de sa conception. A me rendre sous forme de ficher ppt d une dizaine de transparents IUT SdM (S3) (23)