Leon 06 Slection de Matriaux Traduction Slection et

Leçon 06 Sélection de Matériaux : Traduction, Sélection et Documentation Mike Ashby Department of Engineering University of Cambridge © M. F. Ashby, 2012 Pour les instructions de reproduction, voir la dernière diapositive Ce cours fait partie d'un ensemble créé par Mike Ashby pour aider à présenter aux étudiants, les matériaux, les procédés et une sélection rationnelle. Le site Web "Ressources d'Enseignement" vise à aider l'enseignement des matériaux, et les cours correspondants en Conception, Ingénierie et Science. Les ressources sont fournies dans des formats divers et sont destinées principalement à la formation des étudiants. Certaines des ressources sont d'accès libre et les étudiants peuvent y avoir accès. D'autres sont seulement disponibles pour les éducateurs utilisant CES Edu. Pack. www. grantadesign. com/education/resources

Sommaire l Lier Matériaux et Conception l La stratégie de sélection : Traduction – Sélection – Classification - Information l Étape 1 Traduction : exprimer les exigences de conception en termes de contraintes et d’objectifs Étape 2 Sélection : éliminer les matériaux qui ne conviennent pas Étape 3 Classification : trouver le matériau adéquat Étape 4 Information complémentaire (documentation) : explorer les nuances des meilleurs candidats Cette leçon 7 Cette leçon La boite de sélection de CES Edu. Pack § Filtre Numériques ou “Limit stages” (sélection à l’aide de limites ou propr. physiques à valeur définie) § Filtre Graphique ou “Graph stages” § Filtre par Famille ou “Tree stages” • Démo • Exercices Pour plus d’information : • “matériaux: engineering, science, processing and design”, 2ème Edition, Chapitre 3 • “Choix des matériaux en conception mécanique”, 4ème edition, Chapitres 5 et 6 M. F. Ashby, 2011 www. grantadesign. com/education/resources 2

Le processus de conception et l’espace de recherche des matériaux Besoin du marché Les Besoins des matériaux & des procédés Déclaration du problème Données pour la famille de matériaux Concept (métaux, céramiques, polymères. . ) Données pour la classe de matériau Concrétisation (Acier, Alliage Al, Alliage Ni…. . ) Données pour le matériau Détail (Al-2040, Al-6061, Al-7075…. . ) Spécifications du produit M. F. Ashby, 2011 www. grantadesign. com/education/resources 3

Besoin – Concept – Concrétisation Concepts Besoin Concrétisation Directe M. F. Ashby, 2011 Avec levier Crémaillère Avec ressort d’assistance www. grantadesign. com/education/resources 4

Concrétisation -- Détail Concrétisation Détail Comment ces choix sont –ils faits ? M. F. Ashby, 2011 www. grantadesign. com/education/resources 5

Stratégie de prise de décision : les automobiles Information : Caractéristiques souhaitées Performances Exprimées en tant que Economies Contraintes et Objectifs Quelle voiture correspond ? Taille moy. , familiale, berline Moteur de Comparaison § Sélectionner 4 portes > 200 chevaux Faible coût d’acquisition § Classer § Documenter Délai de livraison Fréqu. des révisions Marque et Modèle Dimensions Nombre de portes Puissance Consommation en Fuel Émissions en CO² …… Sélection Finale Concession la plus proche M. F. Ashby, 2011 Garanties www. grantadesign. com/education/resources 6

Stratégie de prise de décision : les matériaux Cahier des charges Informations : Exprimé en tant que Propriétés du matériau Contraintes et Objectifs Propriétés du Procédé Documentation Capable d’être moulé Moteur de Comparaison Densité Résistant à l’Eau et aux UV § Sélectionner Suffisamment Rigide § Classer Module d’Young Suffisamment Robuste § Documenter Robustesse Aussi économique possible (Aussi léger que possible) Tenue à la corrosion Adapté au Procédé Sélection Finale M. F. Ashby, 2011 Prix etc ……. www. grantadesign. com/education/resources 7

Traduction du Cahier des Charges Traduction: “Exprimer les exigences de conception en termes de contraintes” Cahier des charges Contraintes Quelles conditions essentielles doit-il respecter? Être suffisamment robuste § Conduit l’électricité § Supporte 250°C § Peut être moulé § Objectifs Quelle mesure de performance doit être maximisée ou minimisée ? Coût § Poids § Volume § Impact écologique § M. F. Ashby, 2011 www. grantadesign. com/education/resources 8

Boîte d’Outils de Sélection de CES Browse Search Select Tools 1. Selection data Niveau 2: Matériaux Select from Choice… Custom 2. Selection Stages Graph Define your own subset Limit Edu Niveau 1 Tree Matériaux Procédés …. . Outils de Sélection et de Tracé Edu Niveau 2 Matériaux avec propr. de durabilité Matériaux avec propr. environnem. Procédés …. . M. F. Ashby, 2011 www. grantadesign. com/education/resources 9

Sélection avec un Filtre de Famille : TREE STAGE Trees Univers des Procédés Matériaux + Céramiques Assemblageet Verres Matériaux qui peuvent + être moulés par gravité + Mise en Forme Hybrides : composites - moulage par gravité Métaux et alliages Traitement de Surface + Polymères et élastomères Résultats X out of 97 pass Matériau 1 Fiches retenues Matériau 2 Mise en Forme Matériau 3 – Moulage par gravité etc. . . M. F. Ashby, 2011 Encore ! www. grantadesign. com/education/resources 10

Sélection avec un Filtre Numérique : LIMIT STAGE Propriétés Générales Limit Propriétés Mécaniques Min. Verres Céramiques Métaux Mousses Polymères 0. 1 1 100 Isolant Conductivité Thermique (W/m. K) Conducteur Résultats Classement X issus de 97 élts Prop 1 Prop 2 Matériau 1 2230 113 Matériau 2 2100 300 Matériau 3 1950 5. 6 etc. . . M. F. Ashby, 2011 Module d’Young 100 GPa Limite élastique 50 MPa Dureté 70 Vickers Résilience 16 MPa. m 1/2 Propriétés Thermiques Min. 10 Max. Temp Maxi de service Max. 200 °C Conductivité thermique 1 W/m. K Expansion thermique 10 10 -6/°C Chaleur Spécifique 1600 J/kg. °K Propriétés Electriques Propriétés Environnementales www. grantadesign. com/education/resources 11

Sélection avec un Filtre Graphique : GRAPH STAGE Graph Outil Boite de Sélection Propriété Diagramme Barre Outil de sélection par ligne/gradient Line selection OK Résultats X issus de 97 élts 1 Diagramme bulle Cancel Classement Prop 1 Prop 2 Matériau 1 2230 113 Matériau 2 2100 300 Matériau 3 1950 5. 6 Propriété 2 Enter slope 1 etc. . . Propriété 1 M. F. Ashby, 2011 www. grantadesign. com/education/resources 12

Organiser l’information : la base de données CES Edu Références La base de données Table de données DONNÉES pour • Céramiques et verres • Métaux et alliages • Polymères • Hybrides DONNÉES pour Matériaux Table de données Liens Procédés Table de données § l’Assemblage § les Mises en forme § les Traitements de Surface Fournisseurs Table de données Sélection par les liens M. F. Ashby, 2011 www. grantadesign. com/education/resources 13

Matériaux pour écrans anti-émeutes Traduction Cahier des Charges Visière de Protection pour agents de police Limit stage Propriétés Mécaniques Min. GPa Limite élastique MPa ? ? § Transparent – de qualité optique § Robuste – haute résilience § Apte à être moulé + Graph stage Max. Module d’Young Résilience Contraintes MPa. m 1/2 Propriétés Optiques. Transparence Opaque Translucide Transparent Qualité Optique M. F. Ashby, 2011 Meilleur choix : Polycarbonate www. grantadesign. com/education/resources 14

Traduction : dissipateur thermique pour l’électronique de puissance Les composants de puissance chauffent naturellement, et la chaleur doit être évacuée. Traduction Cahier des charges Maintien du composant sous 200°C sans couplage électrique. Fonction Contraintes Dissipateur thermique 1. Temp. Max service > 200 C 2. “Bon isolant électrique” 3. “Bon conducteur thermique” (ou conductivité T > 25 W/m. K) Variable libre M. F. Ashby, 2011 Choix du matériau www. grantadesign. com/education/resources 15

Dissipateur thermique : Sélection utilisant un LIMIT STAGE Search Browse Select Tools 1. Selection data Limit stage Edu Niveau 2: Matériaux Propriétésproperties Mécaniques Mechanical Verres 2. Selection Stages Graph Propriétés Thermiques Thermal properties Ceramiques Limit Tree Métaux Mousses Conductivité Thermique Max 200 0. 1 1 10 J/kg. K 100 Classement T-conductivity 3 issus de 97 élts Nitrure d’Aluminum 140 - 200 Alumine 26 - 38. 5 Nitrure de Silicone 22 - 30 M. F. Ashby, 2011 W/m. K Propriétés Electriques Electrical properties Conductivité Thermique (W/m. K) Conducteur Résultats °C 25 Chaleur Spécifique Polymères Isolant Température Maxi de service Min. Conducteur électrique ou Isolant ? Bon Goodconducteur conductor Poor conductor Mauvais conducteur Semiconductor Semiconducteur Poor insulator Mauvais isolant Bon Goodisolant insulator www. grantadesign. com/education/resources

Dissipateur thermique : Sélection utilisant un GRAPH STAGE 1. Selection data Edu Niveau 2: Matériaux 2. Selection Stages Graph Limit Résultats Tree Classement 3 issus de 97 élts Conductivité therm. Nitrure d’Aluminum 140 - 200 Alumine 26 - 38. 5 Nitrure de Silicone 22 - 30 Pas besoin de nombres ! M. F. Ashby, 2011 Tools Temp. Max de service (°C) Select Conductivité therm. (W/m. s) Search Browse 200 0 C Metals Polymers Ceramics Composites 1000 Ceramics Metals 100 10 Polymers & Composites elastomers 1 0. 1 Foams 0. 01 1 1010 1020 Résistivité Electrique ( . cm) 1030 www. grantadesign. com/education/resources 17

Traduction : le boîtier de CD, un exemple de reconception Les boîtiers de CD sont en polystyrène (PS). Ils craquent et rayent le cd. Remplacer le matériau. Le principe § Retenir ce qui est bon § Remplacer ce qui est mauvais Traduction Cahier des Charges § Moulable par injection comme le PS § Aussi transparent que le PS § Recyclable § Contenir et protéger le CD mieux que le PS. M. F. Ashby, 2011 différent du PS Contraintes § Peut être moulé par injection § Qualité optique § Peut être recyclé Tree stage! § Ténacité K 1 c > celle du PS www. grantadesign. com/education/resources 18

Le boîtier de CD : Screening using a TREE STAGE Browse Search Select 1. Selection data Tools Trees Edu Niveau 2 : Matériaux Univers des Procédés 2. Selection Stages Graph Limit Tree Matériaux qui peuvent être moulés par injection Résultats X out of 97 pass Matériau 1 Matériau 2 Univers des Procédés + Assemblage + Mise en forme – Moul. /injection + Traitements de Surface Fiches retenues Mise en forme – Moul. /injection Matériau 3 etc. . . M. F. Ashby, 2011 www. grantadesign. com/education/resources 19

Le boîtier de CD : L’histoire complète 1 Tree stage : Moul. /injection Propriétés Optiques Transparence Qualité Optique Transparent 2 Translucide Traduction Opaque Propriétés Environnementales Contraintes Recyclable 1. Peut être moulé/injection 2. Qualité optique On garde tout ça ! 3. Peut être recyclé 3 M. F. Ashby, 2011 Ténacité 4. Ténacité K 1 c > celle du PS Polystyrene www. grantadesign. com/education/resources 20

Documentation : les nuances Documentation: “Maintenant que le nombre de candidats est réduit, explorons leurs caractéristiques en profondeur” Manuels Associations de vendeurs Fiche techniques fournisseurs Internet Documentation: Nuances des candidats les mieux placés l Le site de Granta Design (http: //matdata. net) propose un accès indexé aux sites web des fournisseurs. M. F. Ashby, 2011 www. grantadesign. com/education/resources 21

Les points principaux Les quatre étapes de la stratégie de sélection: 1. Traduction, en exprimant les contraintes et les objectifs 2. Sélection , en utilisant les contraintes Souvent Suffisant ! 3. Classement, en utilisant les objectifs 4. Documentation avec CES et http: //matdata. net CES permet des sélections précises grâce aux outils : • Limit stage, • Graph stage • Tree stage et • Tous les trois dans n’importe quel ordre et autant que nécessaire • Data (Numbers, text) M. F. Ashby, 2011 Information (understanding the data) Knowledge (using the data) www. grantadesign. com/education/resources 22

Pause pour une démo M. F. Ashby, 2011 www. grantadesign. com/education/resources 23

Exercice 1; un “tree stage” 3. 1 Un matériau est nécessaire pour un boîtier électrique en plastique moulé pour une utilisation en extérieur. Il y a des contraintes sur : § Procédé (Ce Stage) § Propriétés (Stage 2) § Prix (Stage 3) Créer le Stage 1 – Tree Stage § Tree stage § Univers des Procédés § Mise en forme § Moulage -- Insérer § OK Maintenant ajouter le Stage 2 – page suivante M. F. Ashby, 2011 www. grantadesign. com/education/resources 24

Exercice 2 ; un “limit stage” 3. 2 Le matériau du boîtier doit avoir § Dureté - Vickers > 8 HV § Être un bon isolant électrique § Tension de claquage > 10 MV/m § Être recyclable Maintenant ajouter le Stage 3 – page suivante M. F. Ashby, 2011 www. grantadesign. com/education/resources 25

Exercice 3 ; un “graph stage” 3. 3 Le matériau du boîtier doit être aussi peu cher que possible. Trouver les quatre matériaux respectant toutes les contraintes précédentes et qui ont le prix par Kg le plus bas. § Graph stage – Y-axis – Price § Hide all matériaux failing previous stages § Rank the final Results list by Price Nom Résultats: 14 of 94 acceptés Prix (USD/kg) Polypropylene (PP) Polystyrene (PS) Polyvinylchloride (tp. PVC) Polyethylene terephthalate (PET) Polyethylene (PE) Polyoxymethylene (Acetal, POM) Polymethyl methacrylate Acrylonitrile butadiene styrene (ABS) Polyamides (Nylons, PA) Polycarbonate (PC) Polylactide (PLA) Polyurethane (tp. PUR) Cellulose polymers (CA) Polyetherketone (PEEK) M. F. Ashby, 2011 1. 41 - 1. 62 1. 476 - 1. 574 1. 6 - 2. 2 1. 608 - 1. 769 1. 718 - 1. 89 2. 203 - 2. 732 2. 335 - 2. 569 2. 511 - 2. 952 3. 194 - 3. 569 3. 6 - 4. 47 3. 667 - 4. 584 3. 723 - 4. 45 3. 921 - 4. 313 99. 14 - 109 www. grantadesign. com/education/resources 26

Sommaire des leçons disponibles Le diaporama de cette leçon est disponible sur le site web des Ressources d’enseignement Chaque diapo d’une leçon comporte des notes explicatives. Vous pouvez les consulter en ouvrant le diaporama en mode [“Normal”], ou en cliquant sur l’icône correspondante dans la barre d’outils inférieure. M. F. Ashby, 2011 www. grantadesign. com/education/resources 27

Auteur Mike Ashby University of Cambridge, Granta Design Ltd. www. grantadesign. com www. eng. cam. ac. uk Reproduction Ces ressources sont soumises aux droits d'auteur de Mike Ashby. Vous pouvez reproduire ces ressources pour les utiliser avec des étudiants, pourvu que vous ayez acheté les droits d'accès aux ressources d'Enseignement de Granta Design. Assurez-vous, s'il vous plaît, que Mike Ashby et Granta Design sont cités sur toutes vos reproductions. Vous ne pouvez utiliser ces ressources pour des buts commerciaux. Précision / Pertinence Nous faisons tout pour que ces ressources soient d'une grande qualité. Si vous avez des suggestions pour des améliorations, contactez-nous s'il vous plaît par courrier électronique à : teachingresources@grantadesign. com Il y a plus de 200 ressources disponibles Incluant : n 77 diaporamas n des Exercices avec leur solution n des séquences enregistrées sur le web. n des Posters n des Rapports d’analyse n des Manuels de Solutions n des études de cas interactifs Traduction Nous remercions encore Jean-Noël Chouard du Lycée Victor Bérard de Mermoz pour avoir traduit cette ressource. Les personnes souhaitant entrer en contact avec M. Chouard au sujet de cette traduction peuvent le contacter à l’adresse suivante : jean-noel. chouard@wanadoo. fr © M. F. Ashby, 2012 Le site Web "Ressources d'Enseignement" vise à aider l'enseignement des matériaux, et les cours correspondants en Conception, Ingénierie et Science. Les ressources sont fournies dans des formats divers et sont destinées principalement à la formation des étudiants. Ce cours fait partie d'un ensemble créé par Mike Ashby pour aider à présenter aux étudiants, les matériaux, les procédés et une sélection rationnelle. Le site Web contient aussi d'autres ressources apportées par plus de 800 universités et lycées du monde entier, employant CES Edu. Pack de Granta Design. Ce site Web contient deux catégories de ressources, qui, soit exigent l'emploi de CES Edu. Pack, soit ne l'exigent pas. M. F. Ashby, 2011 www. grantadesign. com/education/resources 28