Conception

Choix des matériaux

Objectif

Vous allez voir les principales étapes et les aspects dont nous devrons tenir compte dans l'activité de conception pour pouvoir développer un procédé rationnel de choisir le meilleur matériau pour une application sur la base de paramètres de matériaux connus, adaptées à la matérialisation d'un produit conçu.

Contexte

Le choix des matériaux est une tâche fondamentale et très complexe. En effet, dans un nombre important de cas, il ne concerne pas seulement un aspect purement technique répondant à des exigences fonctionnelles, mais aussi à des attentes relevant des préférences des utilisateurs dans le cadre d'un marché spécifique. Ainsi, le choix des matériaux doit être analysé sous l'angle de l'ingénierie de matériaux mais aussi sur celle du design industriel, et tenir compte de toutes les informations qui lui seront associées.

Le choix des matériaux est au cœur de la relation « Produit-Matériau-Procédé ».

Il est impératif d'effectuer le choix du couple matériau- procédé à partir des critères du cahier des charges et dans un contexte de développement durable.

  • le produit demande certaines performances de la part du matériau

  • le procédé impose des contraintes de fabrication ou de construction.

Repères

ÉTAPES A SUIVRE POUR LE CHOIX DES MATERIAUX

Étapes à suivre pour le choix des matériaux :

  • 1 Étudier l'information autour du nouveau produit

  • 2 Définir les caractéristiques/exigences de conception du produit

  • 3 Faire le choix des matériaux viables

  • 4 Évaluer les procédés possibles

  • 5 Prioriser et tirer des conclusions

Étape 1 : Étudier l'information autour du nouveau produit

Dans la plupart des cas, le processus de conception innovante commence par l'identification et la formulation du concept, à partir d'une idée, d'un besoin particulier ou d'un changement dans le contexte d'utilisation. Ensuite, nous cherchons à visualiser le produit, c'est-à-dire à préciser ses caractéristiques à travers l'utilisation de représentations graphiques, de la construction de modèles ou grâce à l'utilisation d'outils issus de la conception assistée par ordinateur. Ceci nous permet alors de préciser la configuration, la taille, la fonctionnalité ou la personnalité du produit. Enfin, la matérialisation à travers un prototype vous confronte aux choix de matériaux et des procédés qui vous permettront de valider ou d'affiner le concept initial.

D'après M. Ashby et K. Johnson (Materials and Design, 2e édition, 2009), un produit est défini par l'interaction de six domaines d'information inter-corrélés, qui doivent être pris en compte tout au long du processus de conception :

  • Les produits : c'est l'objet d'étude, l'information le décrivant contient des données factuelles comme les attributs du produit par exemple : le nom, le fabricant, le prix et les performances.

  • Les matériaux : la nature de la matière constituant le produit et ses performances.

  • Les procédés : la description des étapes de transformation nécessaires de cette matière.

  • L'esthétique : les aspects visuels, tactiles, acoustiques ou olfactifs.

  • La perception : les attributs sur lesquels le produit va être jugé (culture, goût ou mode).

  • L'intention : ce que le produit doit être dans l'esprit du concepteur (quelles sont ses priorités).

Le choix des matériaux d'un produit se fait via l'intention, mais aussi les matériaux et procédés (vision génie de matériaux) et l'esthétique et la perception (vision design industriel).
Choix des matériaux d'un produitInformationsInformations[1]

Vision génie des matériaux

Ces dernières décennies, des avancées significatives ont été faites pour améliorer le choix technique des matériaux évoluant dans des contextes spécifiques. Ainsi ont été créées des méthodes systématiques, des bases de données et de connaissances ainsi que des logiciels d'analyse permettant d'explorer l'univers des matériaux et de corréler les attributs de performance (physique, mécanique, thermique, électrique) avec l'univers des procédés (coût, impact environnemental, intensité de main-d'œuvre entre autres). C'est une approche déductive.

Les familles de matériaux sont : les métaux et alliages, les verres et céramiques, les polymères/élastomères et les matériaux composites. Les familles de procédés sont la mise en forme, l'assemblage et le traitement de surface.
Familles des matériaux et familles de procédés.InformationsInformations[2]

Vision design industriel

D'un autre côté, des analyses plus empiriques et subjectives ont lieu dans le processus de design mais elles ont aussi ont aussi un impact indéniable sur la manière dont les choix des matériaux sont faits. Les aspects esthétiques doivent aussi être pris en compte et influencent directement le choix des matériaux.

Par la suite, l'ensemble des informations évoquées dans la figure 1 et le processus schématisé dans la figure 3 vont permettre d'identifier les matériaux les plus adaptés et viables pour votre nouveau produit.

Les exigences de conception (techniques, économiques, environnementales, esthétiques, percpetion, intention) donnent lieu aux méthodes de sélection (base de données, base de connaissances, logiciels) puis à l'étude des procédés possibles. On obtient une liste de matériaux faisables.
Identification des matériauxInformationsInformations[3]

Étape 2 : Définir les caractéristiques/exigences de conception du produit

Une caractéristique est définie comme un aspect de la conception qui contribue à sa fonctionnalité, son usage ou sa personnalité. Ces caractéristiques peuvent être de natures diverses et leur ensemble constitue la description topologique du produit. Il peut exister des caractéristiques géométriques ou dimensionnelles définies par les critères techniques du produit (résistance au choc, stabilité, précision), des caractéristiques définies par les besoins d'usage de l'utilisateur (ergonomie) ou encore d'autres pour exprimer des qualités visuelles ou tactiles.

Exemple

Attributs esthétiques : noir, métallique, doux

Perception : high-tech, masculin, cher

Identifier les exigences de conception nécessite de lister celles qui sont explicites afin de définir les fonctionnalités, les contraintes et les objectifs.

Dans cette étape, les approches basées sur l'analyse de la valeur peuvent permettre de définir les caractéristiques d'une manière méthodique.

Étape 3 : Faire le choix des matériaux viables

Une fois les caractéristiques du produit définies, une sélection sur l'univers de matériaux doit être faite (car on estime qu'il existe plus de 60 000 matériaux disponibles), en utilisant des ressources telles que des bases de données spécialisées, des logiciels et de la connaissance préalable. La sélection se fera par un processus itératif de réduction et d'expansion des espaces de matériaux possibles jusqu'à trouver l'ensemble qui réponde au mieux aux exigences définies préalablement. Ce changement d'approche a pour but de favoriser l'inspiration créative. Pour ce faire, diverses techniques de sélection de matériaux peuvent être appliquées :

  • Sélection par analyse : basée principalement sur la connaissance des attributs techniques de la matière pour éliminer les choix non conformes, elle s'utilise comme suit :

    • traduire les exigences du langage non technique en langage technique ;

    • identifier des mesures de performance technique ;

    • identifier les propriétés associées aux performances ;

    • explorer l'univers des matériaux (base de données) pour choisir ceux qui correspondent aux propriétés exigées.

Avantage : procédé systématique, robuste et basé sur la connaissance technique de la matière.

Inconvénient : applicable à des problèmes et règles bien connus.

  • Sélection par synthèse : basée sur l'expérience préalable et l'analogie, les attributs à prendre en compte sont ceux définis par l'esthétique, la perception et l'intention. Les matériaux considérés seront ceux dont les applications ont des caractéristiques communes avec celles du produit objet de l'étude. Ceci permet de cibler un ensemble de matériaux possibles.

Avantage : permet une pollinisation croisée entre disciplines et la capitalisation des connaissances acquises.

Inconvénient : basée pour l'essentiel sur l'expérience des concepteurs.

  • Sélection par similarité : il s'agit de l'exploration des espaces de conception autour des propriétés d'un matériau existant utilisé comme référent, car répondant au mieux aux exigences de conception. On procède comme suit :

    • capture : identification de l'ensemble des propriétés du matériau de référence ;

    • édition : fixer la propriété objectif et libérer les autres attributs (élargir l'espace de conception) ;

    • recherche : lister les nouveaux matériaux substituts.

Avantage : permet de purger et de confronter des idées préconçues sur des matériaux possibles.

Inconvénient : univers restreint d'exploration.

  • Sélection par inspiration : dans ce cas, les méthodes scientifiques ou systématiques ne sont pas de grande utilité. Parfois l'inspiration vient par accident, lors d'une rencontre, dans un lieu déterminé ou lors d'une exploration de concepts de manière aléatoire. Il s'agit de l'exploration des espaces de conception autour des propriétés d'un matériau référent répondant au mieux aux exigences de conception.

Étape 4 : Évaluer les procédés possibles

Tout choix de matériau est associé à un procédé. Le produit doit être usiné, assemblé, et/ou fini. L'ensemble des familles de procédés est tel que mentionné dans l'étape 1. Pour l'ensemble des matériaux sélectionnés, les implications des procédés possibles sont différentes en termes techniques, environnementaux et économiques.

Pour la sélection d'un procédé, plusieurs facteurs doivent être pris en compte pour chaque procédé potentiel :

  • la quantité estimée du produit : de cette donnée, qui vient des études du marché potentiel, vont dépendre les montants qui pourraient être alloués pour des investissements, mais aussi les économies d'échelle potentielles ;

  • les attributs techniques apportés : chaque procédé comporte des avantages certains pour le produit en termes de qualité, tolérance, flexibilité dans la géométrie etc. Il s'agit donc de formaliser les apports et avantages de chaque procédé potentiel ;

  • le coût estimé en fonction de la quantité estimée de production : ce coût peut être inféré par analogie à partir de la littérature existante pour des produits similaires, ou estimé par des données historiques internes ou encore modélisé en prenant en compte ses différentes composantes : le coût de matières premières, le coût d'investissements, le coût des outils dédiés et les frais de gestion.

Étape 5 : Prioriser et tirer des conclusions

Une fois les caractéristiques des matériaux et leurs procédés associés évaluées, la recherche du meilleur compromis entre les divers espaces s'avère nécessaire. Pour ce faire, il faut prioriser les attributs du produit, sélectionner les plus importants et les évaluer (y compris les attributs esthétiques ou de perception) afin de pouvoir comparer les divers produits et procédés.

LES PRINCIPES DE CHOIX

Le choix d'un matériau s'inscrit dans la démarche d'écoconception. Il est donc nécessaire d'établir un inventaire des fonctions du cahier des charges, puis le choix se fera suivant une démarche itérative.

Etude du cahier des charges

L'étude du cahier des charges permet de traduire les exigences et de déterminer les propriétés des matériaux et les objectifs de conception.

Tous ces critères permettront d'effectuer un choix optimisé du couple matériau-procédé en fonction des performances souhaitées.

Les limites de ces propriétés sont incontournables et doivent être respectées. Les objectifs permettent d'optimiser la conception et ajoutent de la valeur au produit en minimisant ou maximisant un ou plusieurs critères.

Exemples de propriétés

Exemples d'objectifs

Résistance à la traction

Minimiser les impacts environnementaux

Résistivité électrique

Minimiser le volume

Masse

Maximiser la durabilité

Tous ces éléments peuvent être spécifiés dans le cahier des charges de façon explicite pour faciliter la recherche de matériaux. Si ce n'est pas le cas, l'étape de conception préliminaire permettra d'identifier, de qualifier éventuellement et quantifier les critères nécessaires.

Les fonctions, contraintes et objectifs permettent la sélection d'une famille de matériaux et d'une famille de procédés. Grâce aux critères et aux formes on peut choisir un seul matériau et un procédé dans cette catégorie. Ces deux éléments sont ensuite validés.
Éléments du cahier des chargesInformationsInformations[4]

Répartition des critères

Il est nécessaire également d'identifier les critères de choix du matériau et du procédé.

Par exemple :

  • sur le matériau : caractéristiques mécaniques, esthétiques, thermiques, électriques, économiques, environnementales, physiques.

  • sur le procédé : volume, masse, géométrie, taille de la série, caractéristiques économiques et environnementales.

Tous les composants d'un produit ont une ou plusieurs fonctions: supporter une charge, une pression, transmettre la chaleur, etc. Dans la conception du composant, le concepteur a un objectif: rendre aussi pas cher que possible. Ceci doit être réalisé sous réserve de contraintes: que certaines dimensions sont fixes, que le composant doit supporter la charge ou pression donné sans échec, elle ne peut fonctionner que dans une certaine plage de température, et dans un environnement donné, et bien d'autres. Les fonctions, l'objectif et les contraintes définissent les limites conditions pour la sélection d'un matériau et - dans le cas d'éléments porteurs – de la forme de sa section.

Fonction

"Qu'est-ce que le composant doit faire?"

Objectif

"Que faut-il agrandir ou réduire?"

Contraints

"Quelles sont les conditions non négociables qui doivent être remplies?"

"Quelles sont les conditions négociables mais souhaitables ...?"

LES METHODES DE CHOIX

Les méthodes de choix sont basées sur l'utilisation de bases de données qui associent les matériaux et les procédés. Pour réaliser le choix de ces milliers de références, on utilise les critères définis en conception ou identifiés dans le cahier des charges. Plusieurs méthodes sont alors possibles suivant les informations dont on dispose et le degré d'optimisation souhaitée :

  • sélection basée sur les propriétés : possibilité de choix direct, de poser des limites ou d'effectuer des comparaisons.

  • sélection par comparaison des indices de performance.

  • sélection multi-contrainte et multi-objectif.

Ces méthodes peuvent être utilisées simultanément dans un même choix de matériau.

Sélection à partir des diagrammes de propriétés

Cette méthode consiste à rechercher les matériaux répondant aux critères choisis suivant trois types de sélection :

  • par choix direct : on sélectionne par exemple uniquement les matériaux usinables ou uniquement les matériaux ferreux.

  • En posant des limites : on sélectionne les matériaux dont une propriété, par exemple le dureté, est supérieure à une valeur spécifiée.

  • Par comparaison : on génère un diagramme d'une propriété en fonction d'une autre. On peut ensuite sélectionner graphiquement les meilleurs compromis.

On analyse différents matériaux (mousses, composites, céramiques techniques, métaux et alliages, céramiques non techniques, polymères et élastomères) en comparant leur masse volumique (kg/m3) au module de Young (Gpa)
Diagramme des propriétésInformationsInformations[5]

Sélection avec indice de performance

Pour optimiser le choix du matériau, il est nécessaire de déterminer les performances recherchées, qui se traduiront par une combinaison des propriétés du matériau.

Par exemple, il est possible d'exprimer la performance d'un matériau par le rapport entre son prix et sa masse (Prix/M).

Ce diagramme reprend les mêmes matériaux que le schéma précédent en comparant cette fois le prix en fonction de la limite élastique spécifique ( (Mpa x m/kg)3 ).
Diagramme du prix en fonction de la limite élastiqueInformationsInformations[6]

Pour établir un indice de performance, il est nécessaire de définir la fonction du composant, l'objectif et les contraintes de conception. Ces dernières peuvent se traduire par les propriétés des matériaux selon les sollicitations du composant. L'indice de performance sera une relation fonction de ces paramètres.

Cet indice de performance apparaît sur les diagrammes de propriétés sous la forme d'une droite.

Les matériaux situés sur cette droite ont la même performance, les matériaux au dessus sont les meilleurs et ceux situés en dessous sont les moins bons.

Sélection multi-contrainte et multi-objectif

En effet, généralement pour un même objectif de conception (minimiser les coûts, la masse, les impacts environnementaux), il est nécessaire de considérer plusieurs contraintes. Ce type d'étude, multi contrainte, peut être mené en effectuant autant d'études qu'il y a de contraintes et en conservant les matériaux communs.

Il est possible également d'avoir à traiter plusieurs objectifs de conception simultanément.

INDICE DES MATERIAUX

La conception d'un composant mécanique est déterminée par trois éléments: les exigences fonctionnelles (la nécessité de supporter des charges, de transmettre la chaleur, de stocker l'énergie élastique ou thermique, etc.), la géométrie et les propriétés de la matière dont elle est faite, y compris son coût. La performance de l'élément peut être décrite par une équation générale de forme :

ou

p = f (F, G, M)

où p décrit l'aspect de la performance de la composante qui doit être optimisé: sa masse, ou son volume, ou son coût, ou la durée vie, par exemple; et f ( ) signifie «une fonction de". Une conception optimale peut être considérée une sélection de la matière et de la géométrie qui maximise (ou minimiser) p. L'optimisation est soumise à des contraintes, dont certaines sont imposées par les propriétés du matériau.

Les trois groupes de paramètres de l'équation sont dits «séparables» lorsque l'équation peut être écrite :

p = f1 (F).f2(G).f3( M)

où f1, f2 et f3 sont des fonctions.

Lorsque les groupes sont séparables, le choix optimum de la matière devient indépendant des détails de conception.

Chaque combinaison de la fonction objective et la contrainte conduit à un indice de matière (figure suivante). L'indice est caractéristique pour la combinaison. On peut voir que la sélection d'une poutre de poids minimale soumise à une contrainte de maximisation de la rigidité nécessite l'indice de matériau

M = E 1 / 2 / ρ

où E est le module de Young et ρ est la densité.

Fonction : lien, faisceau, arbre et colonne. Objectif : coût minimum, poids minimum, stockage d'énergie maximum, impact environnemental minimal. Contrainte : rigidité résistance, fatigue, géométrie. Indice M = E1/2 / p. Parmis ces caractéristiques sont retenues le faisceau, le poids minimum et la rigidité.
Analyse d'un matériauInformationsInformations[7]

INDICES DE PERFORMANCE POUR LES MATERIAUX

La performance, P, d'un composant est mesurée par l'équation de la performance. L'équation de la performance contient des groupes de propriétés des matériaux. Ces groupes ont des indices du matériau. Parfois, le «groupe» est une propriété unique. Ainsi, si le rendement de la raideur de la poutre est mesuré par la rigidité, l'équation de performance contient seulement une propriété, le module élastique E.

Le module élastique E est l'indice de matériau à ce problème. Le plus souvent l'équation de la performance contient un groupe de deux ou plusieurs propriétés.

Les indices de performance pour les matériaux peuvent être estimés pour une gamme large des cas :

Rigidité limitée à masse minimale (coût, énergie, impact sur l'environnement)

E = module de Young

ρ = densité.

  • Afin de minimiser les coûts, utilisez le critère ci-dessus pour la masse minimale, en remplaçant la densité ρ avec Cmρ, où Cm est le coût matériel par kg.

  • Afin de minimiser le contenu d'énergie emmagasinée ou le CO2 emmagasinée utilisez le critère ci-dessus pour la masse minimale en remplacent la densité ρ par Hmρ ou CO2ρ, où Hm est la teneur en embodied energy content par kg et CO2 est le poids de CO2 par kg.

  • Afin de minimiser l'impact environnemental, remplacer la densité ρ par Ieρ , où Ie est la valeur éco-indicateur pour le matériau.

Résistance limitée à la masse minimale (coût, énergie, impact sur l'environnement)

σy = résistance à la rupture (la limite d'élasticité pour les métaux et les polymères ductiles, la résistance à la traction pour des matériaux céramique, des verres et des polymères cassants chargés en traction, la résistance à la flexion ou la limite à la rupture pour les matériaux chargés en flexion)

  • Afin de minimiser les coûts, utilisez le critère ci-dessus pour la masse minimale, en remplaçant la densité ρ avec Cmρ, où Cm est le coût matériel par kg.

  • Afin de minimiser le contenu d'énergie emmagasinée ou le CO2 emmagasinée utilisez le critère ci-dessus pour la masse minimale en remplacent la densité ρ par Hmρ ou CO2ρ, où Hm est la teneur en embodied energy content par kg et CO2 est le poids de CO2 par kg.

  • Afin de minimiser l'impact environnemental, remplacer la densité ρ par Ieρ , où Ie est la valeur éco-indicateur pour le matériau.

Calcul de la limite de résistance pour la performance maximale des ressorts

  1. http://www.techniques-ingenieur.fr.rp1.ensam.eu/fiche-pratique/genie-industriel-th6/deployer-l-innovation-dt30/choix-des-materiaux-dans-une-conception-innovante-0974/#background_fiche_gris Creative Commons Zéro

  2. http://www.techniques-ingenieur.fr.rp1.ensam.eu/fiche-pratique/genie-industriel-th6/deployer-l-innovation-dt30/choix-des-materiaux-dans-une-conception-innovante-0974/#background_fiche_gris Creative Commons Zéro

  3. :http://www.techniques-ingenieur.fr.rp1.ensam.eu/fiche-pratique/genie-industriel-th6/deployer-l-innovation-dt30/choix-des-materiaux-dans-une-conception-innovante-0974/#background_fiche_gris Creative Commons Zéro

  4. http://www.lyceedupaysdesoule.fr/sti2d/materiaux/cours_materiaux_01_eleve.pdf

  5. http://tpworks-place.com/documents/2125/viewer/visu.php?f=11

  6. http://fr.wikiversity.org/wiki/Introduction_%C3%A0_la_science_des_mat%C3%A9riaux/Propri%C3%A9t%C3%A9s_m%C3%A9caniques_des_mat%C3%A9riaux_I_-_G%C3%A9n%C3%A9ralit%C3%A9s_et_traction_simple

  7. Ashby MF, "Materials Selection in Mechanical Design", 3rd edition, Elsevier Butterworth Heinemann, Oxford, UK, 2005

  8. Cosmin GRUESCU Paternité - Pas d'Utilisation Commerciale - Partage des Conditions Initiales à l'Identique

  9. Cosmin GRUESCU Paternité - Pas d'Utilisation Commerciale - Partage des Conditions Initiales à l'Identique

  10. Cosmin GRUESCU Paternité - Pas d'Utilisation Commerciale - Partage des Conditions Initiales à l'Identique

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