Présentation

Article

1 - GÉNÉRALITÉS SUR LA SÉLECTION DES MATÉRIAUX

2 - CLASSES DE MATÉRIAUX ET TYPES DE PROCÉDÉS

3 - CARACTÉRISTIQUES DES MATÉRIAUX ET DES PROCÉDÉS

  • 3.1 - Caractéristiques des matériaux
  • 3.2 - Principaux paramètres caractéristiques des procédés

4 - PROCÉDURE DE SÉLECTION

5 - SOURCES ET BANQUES DE DONNÉES. LOGICIELS D’AIDE À LA SÉLECTION

6 - ÉTUDES DE CAS

7 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : T5100 v1

Procédure de sélection
Choix et usage des matériaux

Auteur(s) : Yves BRÉCHET, Michael F. ASHBY, Michel DUPEUX, François LOUCHET

Date de publication : 10 juil. 1996

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Sommaire

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Auteur(s)

  • Yves BRÉCHET : Professeur à l’Institut national polytechnique de Grenoble

  • Michael F. ASHBY : Professeur à l’université de Cambridge (Grande-Bretagne)

  • Michel DUPEUX : Professeur à l’université Joseph-Fourier de Grenoble

  • François LOUCHET : Professeur à l’Institut national polytechnique de Grenoble

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INTRODUCTION

Il est toujours nécessaire, dans toute conception de produit industriel, de choisir le matériau dans lequel l’objet sera réalisé et le procédé utilisé pour sa réalisation. Ce choix est à la fois crucial et difficile. Crucial car de lui dépend la performance de la conception et sa viabilité économique, difficile en raison à la fois de la diversité des matériaux et des procédés possibles, et de la variété des requêtes exigées par la conception.

On estime à 60 000 le nombre de matériaux disponibles et à environ 6 000 le nombre de procédés possibles. Il est impensable que le concepteur soit familier avec plus qu’une petite fraction de cette immense diversité, et la difficulté du choix des matériaux tient en partie à cet hyperchoix des matériaux. Mais, par ailleurs, la variété des requêtes et leurs caractères souvent contradictoires viennent ajouter, à la complexité liée à la multitude des possibilités, celle liée à la difficulté d’énoncer de façon objective les performances recherchées et, plus encore peut-être, celle liée à la difficulté de gérer un choix multicritère.

Il est donc clairement utile, pour pouvoir se guider efficacement dans la variété des choix possibles, de disposer d’une procédure systématique pour sélectionner le procédé et le matériau le mieux adapté à une fonction ou à une pièce donnée. Cette procédure systématique doit être suffisamment générale pour pouvoir être appliquée à des conceptions très variées, et suffisamment transparente pour que l’utilisateur en garde la maîtrise, puisse intervenir au cours de la procédure de sélection et laisser agir sa créativité, son imagination et sa propre expérience.

La méthode de sélection que nous présentons dans cet article ne saurait être comprise comme une structure rigide, mais comme un guide permettant de ne pas écarter a priori des solutions intéressantes mais inhabituelles, comme une méthode permettant d’expliciter de façon objective les requêtes du cahier des charges et de comparer la performance de matériaux très différents entre eux pour une fonction donnée. La question paradigmatique de la sélection des matériaux pourrait être : comment se fait-il que l’on puisse réaliser des ressorts dans des matériaux aussi différents que des caoutchoucs ou des aciers ? Répondre à cette question suppose de pouvoir définir un indice de performance associé à la fonction du ressort, indice de performance qui permette de comparer objectivement deux matériaux aussi différents, et de choisir entre eux en fonction des autres requêtes de la conception.

La méthode de sélection en elle-même doit être suffisamment simple et flexible pour que le concepteur puisse la mettre en œuvre par quelques rapides calculs mais, pour pouvoir choisir efficacement parmi un grand nombre de matériaux et de procédés, il est naturel d’avoir recours à des banques de données et à des logiciels d’aide à la sélection. Dans cet article, nous envisageons à la fois les méthodes de sélection, les aides informatiques existantes, et nous illustrons l’ensemble sur quelques études de cas.

Il existe de nombreux ouvrages traitant de la conception des produits industriels et de la sélection des matériaux [1] [6]. La méthode de sélection que nous présentons dans cet article a toutefois l’avantage d’être systématique et facile à mettre en œuvre [7] ; de plus elle a été maintenant testée sur de nombreux cas concrets : on peut raisonnablement penser que, par l’usage qu’elle fait des aides informatiques, elle deviendra rapidement un outil de base du concepteur.

Reste que la sélection des matériaux et des procédés doit aboutir aussi in fine aux choix d’un fournisseur, d’un agent de mise en œuvre. Cette sélection-là, qui s’appuie sur l’évaluation précise des coûts, des délais de fabrication, de la dépendance vis-à-vis d’un seul fournisseur qu’il est bon d’éviter, est une question souvent autant économique que technique : elle est bien évidemment cruciale pour le fonctionnement sain de l’entreprise, mais sort clairement de l’objectif du présent article.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-t5100


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4. Procédure de sélection

4.1 Sélection des matériaux

Nous examinons successivement la méthode des indices de performance qui permet de comparer objectivement les matériaux, puis sa mise en application graphique en utilisant les cartes de sélection, et enfin le problème difficile des sélections multicontraintes et multiobjectifs.

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4.1.1 Indices de performance

Comme nous l’avons déjà indiqué, la procédure de sélection ne peut être qu’itérative et, compte tenu de la complexité du problème, il ne saurait être question d’une procédure linéaire et purement déductive. Par contre, il est utile de disposer d’outils conceptuels permettant de comparer entre eux les matériaux. C’est le but de la méthode des indices de performance que nous allons maintenant présenter. Nous l’illustrons dans sa forme la plus simple sur un problème de structure, mais la démarche peut être généralisée à des problèmes de choix de matériaux fonctionnels.

Supposons que nous ayions à sélectionner un matériau pour une pièce sollicitée en traction, devant avoir une rigidité donnée (c’est‐à‐dire ne s’allongeant pas de plus de ε) et le tout devant être réalisé à masse minimale. C’est une requête qu’on trouve fréquemment dans l’industrie des transports. Il est clair que le matériau recherché devra être léger et avoir un module d’élasticité élevé, mais cette constatation intuitive n’est pas suffisante pour choisir. La méthode des indices de performance permet de construire une combinaison de propriétés (de la masse spécifique ρ et du module d’élasticité E ) qui traduit la performance du matériau pour la fonction recherchée (rigidité) dans la sollicitation imposée (traction) et avec l’optimisation en vue (masse minimale). Si A est l’aire de la section de la pièce, sous une charge imposée F, le critère imposé de rigidité s’écrit :

F / A < 

Par ailleurs, la masse m de la pièce s’écrit :

...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - DIETER (G.E.) -   Engineering design, a materials and processing approach.  -  McGraw-Hill.

  • (2) - PAHL (G.), BEITZ (W.) -   Engineering design.  -  Springer.

  • (3) - FARAG (M.M.) -   Selection of materials and manufacturing processes for engineering design.  -  Prentice Hall.

  • (4) - BUDINSKI -   Engineering materials, properties and selection.  -  Prentice Hall.

  • (5) - CORNISH (E.H.) -   Materials and the designer.  -  Cambridge University Press.

  • (6) - CRANE (F.), CHARLES (J.) -   Selection and use of engineering materials.  -  Butterworth.

  • (7) - ASHBY (M.F.) -   Materials selection...

1 Bases de données

Nous avons réuni une liste de banques de données qui fournissent des informations sur les matériaux et, parfois, des guides de sélection. Pour chaque banque de données, nous précisions s’il s’agit d’un service en ligne ou d’une disquette pour ordinateur individuel. Ces banques de données sont, pour certaines, gratuites, pour d’autres, payantes.

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