Chapitre 5 Slection des matriaux Plan du chapitre

Chapitre 5 : Sélection des matériaux Plan du chapitre : • Critères de comparaison entre matériaux

Le procédé de conception La phase de vie La phase de conception Besoin du marché Outils de conception (Besoin de matériaux) Concept Données de tous les matériaux et procédés, faible précision Embodiment Données de moins de matériaux ou procédés, grande précision Détail Données d’un matériau ou procédé, la plus grande précision Production Redesign Utilisation Outils pour l’analyse du cycle de vie Fin de vie

Exigences de conception spécifications de matériaux “Traduction” Exigences de conception Analyse: Fonction Contraintes Objectifs Variables libres Que font les composants ? Quelles conditions essentielles doit-on rencontrer ? Que doit-on maximiser ou minimiser ? Quelles variables de conception sont libres ? A partir de laquelle nous obtenons … • Critères de sélection : critères go / no-go (habituellement plusieurs) • Critères de classement : un classement des matériaux restants

Exemple : heat sink pour un microprocesseur Etape 1 – Sélection : “Eliminer les matériaux ne convenant pas” Contraintes doit Matériaux retenus avec: • fonctionner à 200 °C 1. Temp. de service max > 473 K • être un isolant électrique 2. Doit être un “bon isolant” • bien conduire la chaleur 3. T-conduct. > 100 W/m. K Etape 2 – Classement : “Trouver le matériau qui donne le meilleur job” Objectif • minimiser les coûts Classement des matériaux : • via le prix/kg

Classement en utilisant la fonction « limit stage »

Utiliser CES pour voir les matériaux Sélection en utilisant les limites WC Max service temperature (K) l Steel Copper Alumina PEEK Sélection en utilisant les barres-graphes GFRP PTFE Zinc Polymers Fibreboard Ceramics Composites 1000 Metals Thermal conductivity (W/m. s) Sélection en utilisant les graphiques de propriétés l Glass PP Aluminum Lead Metals l CFRP 100 10 Ceramics 1 Composites Polymers & elastomers 0. 1 0. 01 0. 1 Foams 1 Price ($/kg) 10 100

Etapes de sélection Ø Identification de la fonction, des contraintes, de l’objectif et des variables libres Ø Traduction de l’objectif en indice de performance Ø Identification de la contrainte qui limite la variable libre Ø Elimination de la variable libre Ø Comparaison et sélection

Exemple 1 : barreau léger Barreau léger de longueur L et masse minimale Fonction Barre F F Surface A Objectif Contraintes Minimiser la masse m: m = AL L (1) • Longueur L est spécifiée • Ne peut pas se briser sous F m = masse A = surface L = longueur = masse volumique = résistance du matériau Equation pour la contrainte sur A: F/A < y (2) Variables libres • Choix du matériau • Surface transversale A; en éliminant A dans (1) en utilisant (2): Choisir un matériau ayant le + petit

Exemple 2 : poutre légère et F résistante Poutre (section carrée). b Fonction Objectif Contrainte Minimiser la masse m : b L Rigidité de la poutre S : I est le moment quadratique Variables libres m = masse A = surface L = longueur = masse volumique b = côté S = rigidité I = moment quadratique E = module de Young • Choix du matériau. • Côté b. En combinant les équations, on a : Choisir un matériau ayant le + petit

Exemple 3 : panneau léger et rigide Fonction Objectif Panneau avec une largeur w et une longueur L Minimiser la masse m t F w L Contrainte Rigidité du panneau S: I est le moment quadratique Variables libres m = masse w = largeur L = longueur = masse volumique t = épaisseur S = rigidité I = moment quadratique E = module de Young • Choix du matériau. • Epaisseur du panneau t. En combinant les équations, on a Choisir un matériau ayant le + petit Unit 2, Frame 2. 10

Indices de performance Chaque combinaison de FONCTION Fonction Objectif Contrainte Variable libre A un indice de performance caractéristique Barre OBJECTIF Poutre Coût minimum Arbre Poids minimum Colonne Maintien de l’énergie max. Mécanique, Thermique, Electrique. . . CONTRAINTE Rigidité spécifiée INDICE Résistance spécifiée Impact environ. minimum Limite en fatigue Géométrie spécifiée Minimisation de ceci !

Indices de performance Propriétés des matériaux (vue des “physiciens”) Coût, Cm Masse volumique, Module, E Résistance, y Limite d’endurance, e Conductivité thermique, Coefficient de dilatation, Indices de performance (vue des “ingénieurs”) Objectif: minimisation de la masse Fonction Rigidité Résistance Traction (barre) Flexion (poutre) Flexion (panneau) Minimiser cela !

Optimisation Indice 1000 Module de Young E, (GPa) Céramiques 100 Contours de M constant sont des lignes directrices de pente 2 Sur un graphe E- 10 1 Composites Bois Métaux 1 2 3 Polymères 0. 1 0. 01 0. 1 Elastomères Mousses 10 1 Masse volumique (Mg/m 3) 100

Sélection Zone d’investigation

Logiciel CES Module de Young (GPa) Zone d’investigation Masse volumique (Mg/m 3)

Matériaux pour rames

Matériaux pour rames Spécification Fonction Objectifs Contraintes Variables libres Rame : légère, poutre rigide Poids minimal • Rigidité S spécifiée • Coût bas • Robustesse adéquate • Surface résistante • Matériau Limites du matériau, via les contraintes I. P. , imposé par les objectifs Density Fracture toughness Minimise Modulus

Matériaux pour rames 3 4 2 Search area La sélection 1 Bois: bon marché, léger mais variable 2 CFRP: Le meilleur choix 1 3 Béryllium: coût et toxicité le mettent HS 4 Céramiques: mais la robustesse à la fracture les mettent HS Rames : vraie vie Bois: Sitka spruce, quartered and laminated CFRP: Tailored to rower’s specification

Matériaux pour rames – CES Edupack Modulus - Density Module de Young (GPa) Additional constraint: K 1 c > 15 MPa. m 1/2 Zone d’investigation Masse volumique (Mg/m 3)

Matériaux pour pieds de table Ø Luigi Tavolino, un designer de meubles, a conçu une table légère dont le principe est très simple : une plaque de verre trempé supportée par 4 pieds fins cylindriques et sans renforts. Ces pieds doivent être pleins – pour pouvoir être fins –et aussi légers que possible. Quels matériaux peut-on conseiller ?

Matériaux pour pieds de table Spécification Fonction Objectifs Contraintes Variables libres Colonne en compression Masse minimale Finesse maximale : r • doit supporter F 0 fixé sans flamber • ne doit pas rompre s’il est cogné • Longueur imposée : L 0 • Section S

Matériaux pour pieds de table

Matériaux pour pieds de table Matériau Indice M 1 Indice M 2 Commentaire Bois 5– 8 4 – 20 Excellent M 1, faible M 2 Peu coûteux, traditionnel, fiable. CFRP 4– 8 30 – 200 Excellents indices mais chers GFRP 3, 5 – 5, 5 20 – 90 Moins chers que CFRP, mais indices plus faibles Céramiques 4– 8 150 – 1000 Excellents indices mais éliminées à cause de leur fragilité