Introduction à la science des matériaux/Choix d'un matériau
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| Chapitre 2 | |||
| Leçon : Introduction à la science des matériaux | |||
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| Chap. préc. : | Histoire de la science des matériaux | ||
| Chap. suiv. : | Propriétés générales des matériaux | ||
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Introduction à la science des matériaux/Choix d'un matériau », n'a pu être restituée correctement ci-dessus.
Sommaire |
[modifier] Résumé
Nous mettons en lumière le problème du choix d'un matériau pour une application donnée.
[modifier] Introduction
Avant d'aborder les propriétés des matériaux, nous allons nous intéresser au problème du choix du matériau. Cela permet de comprendre l'importance des chapitres suivants, et cela permet également de faire le point sur les connaissances générales déjà acquises. Le choix implique en particulier des notions de gestion de projet, en particulier dans le choix du matériau qui fait intervenir, outre des critères techniques, des critères économiques (prix, disponibilité).
[modifier] Analyse fonctionnelle
[modifier] Définition du système et recensement des fonctions
Le choix d'un matériau dépend de l'application. Il faut définir précisément le besoin. Cela fait appel à la notion de fonction : il faut définir les fonctions que doit remplir le matériau, et non pas partir sur une solution a priori. Cela assure :
- une plus grande créativité, puisque l'on se laisse toute liberté dès le départ ;
- une assurance qualité, puisque l'on part du besoin de l'utilisateur du produit, du client ;
- donc une solution mieux adaptée, moins coûteuse, et une plus grande satisfaction du client.
Il faut donc partir d'un cahier des charges fonctionnel (CDCF). On peut par exemple se référer à la norme NF X 50-151 Élaboration d'un cahier des charges fonctionnel.
L'analyse fonctionnelle consiste à considérer les fonctions que doit remplir le produit, sous la forme de verbes à l'infinitif. Nous nous intéressons ici à l'analyse fonctionnelle dite externe, ou bien analyse fonctionnelle du besoin. Avant d'identifier les fonctions, il faut définir :
- à qui le produit va servir ;
- sur quoi le produit va agir.
L'expression du besoin est parfois formalisé sous la forme d'un diagramme appelé « bête à cornes ».
| Voir les exercices sur : Analyse fonctionnelle d'une bouteille. |
[modifier] Classement des fonctions et présentation
À partir de l'analyse fonctionnelle, il faut :
- recenser les fonctions du produit ;
- définir des critères d’appréciation chiffrables pour chaque fonction ;
- classer les fonctions :
- service au client (action) : apporte une valeur commerciale au produit,
- fonctions principales (FP), qui sont la raison d'être du produit, et fonctions complémentaires (FC),
- technique (nécessité de conception) : ne constitue pas une valeur ajoutée vis-à-vis du client, mais est nécessaire pour le fonctionnement du produit, on parle également de fonctions de contrainte (FC) ;
- service au client (action) : apporte une valeur commerciale au produit,
- hiérarchiser les fonctions ;
- donner une valeur à la fonction.
Dans la méthode APTE®[1], les fonctions sont représentées sous la forme d'un diagramme des interactions, ou diagramme des interacteurs, également appelé « diagramme pieuvre » :
- le produit est au centre du diagramme ;
- les différents systèmes qui interagissent avec le produit (utilisateur, environnement) sont des « satellites » ;
- les fonctions sont des arcs qui relient le produit avec ses interacteurs.
Les fonctions sont numérotées, une liste accompagne le diagramme pour indiquer les fonctions.
On peut faire un diagramme pieuvre par phase de vie du système : installation, fonctionnement, maintenance.
- Exercice
| Voir les exercices sur : Diagramme pieuvre d'une bouteille de boisson. |
Le classement peut se faire grâce à un tableau de hiérarchisation :
- prendre chaque couple de fonction et indiquer à chaque fois laquelle est la plus importante ;
le degré d'importance va de 1 (légèrement supérieur) à 3 (nettement supérieur) ; - faire la somme des degrés pour chaque fonction ;
- classer les fonctions selon leur score.
On peut convertir ce score en pourcentage pour faciliter la lecture.
Par exemple
| FP1 | FC1 | FC2 |
|---|---|---|
| FP1 | FP1 : 1 | FP1 : 2 |
| FC1 | FC2 : 1 |
La première case se lit : « FP1 est légèrement supérieure à FC1. » On a donc le classement des fonctions suivant :
- FP1 : score de 3 ;
- FC2 : score de 1 ;
- FC1 : score de 0.
- Exercice
| Voir les exercices sur : Tableau de hiérarchisation pour une bouteille de boisson. |
Bien sûr, cette hiérarchisation peut être discutée, mais il importe de le faire avant de faire les choix technologiques, et en particulier le choix du matériau.
La hiérarchisation des fonctions va indiquer :
- sur quelles fonctions l'on va mettre le plus de moyens en terme de développement (temps de conception, nombre de personnes affectées) et de coût de revient (coût matière et transformation) ;
- lorsqu'il faut arbitrer entre plusieurs solutions (recherche d'un compromis) mettant en concurrence des fonctions, quelle solution choisir ;
- pour la réalisation des prototypes, quels éléments intégrer en premier ;
- si l'on est en retard sur le projet ou si le budget est trop serré, où l'on peut faire des économies, gagner du temps.
[modifier] Rôle du matériau
Le matériau est une des manières de réaliser certaines fonctions. En particulier, il va intervenir dans les fonctions de type :
- assurer une fonction principale : conduire la chaleur ou l'électricité, être rigide, être sûr, …
- être compatible avec la santé ;
- résister à l’environnement :
- résistance mécanique,
- résistance chimique (corrosion),
- stabilité thermique.
Il faut aussi prendre en compte :
- le coût de fabrication : coût matière première, usinage, traitement, transport ;
- les délais : délais d'approvisionnement, durée de la fabrication (certains matériaux se travaillent plus facilement que d'autres), possibilité de le remplacer en cas de pénurie (substitutivité) ;
- impact environnemental : dépenses de ressources naturelles, rejet liés à la fabrication, réparabilité, recyclabilité (faciliter à le récupérer, à le réutiliser, à le valoriser).
Dans le cas de la bouteille de boisson, le problème principal est celui de la forme — fonction « verser dans un verre » (FP1) — et de l'étanchéité — « conserver la boisson » (FC3). Les premiers matériaux furent la terre cuite (amphore, cruche), le bois (bambou ou calebasse, la forme de la plante est déjà adapté à l'usage), et le cuir, puis plus tard le verre. On utilise maintenant le plastique qui présente une meilleure résistance mécanique — fonction « résister au transport » (FC5) —, mais on continue à utiliser le verre pour des bouteilles « de prestige » (vin, bière, limonade voulant se donner un caractère « authentique ») ou pour des raisons de conservation (bonification des vins de garde), la fonction « être esthétique » (non listée ici) prime alors sur la solidité (FC5).
On voit également qu'il ne suffit pas de faire une analyse des besoins. En effet, les contraintes de fabrication imposent d'utiliser certains matériaux (fonctions techniques, de contrainte).
Il ne faut pas oublier que ce qui importe, ce sont les propriétés du dispositif. Celles-ci découlent des pièces, qui elles-même découlent des propriétés des matériau, mais aussi de la forme des pièces, de la manière dont elles sont assemblées. Cela rend le choix complexe : le matériau conditionne la forme que l'on peut donner à la pièce, tous les matériaux ne se travaillent de la même manière. Par exemple, pour résister à la flexion, on peut avoir un matériau rigide et dur, ce qui permet d'utiliser peu de matière ; mais on peut aussi utiliser un matériau plus mou mais facilement formable, qui permet d'obtenir des formes complexes qui donnent une grande rigidité à la pièce (cas des profilés d'aluminium).
[modifier] Catégories de matériaux
Les matériaux sont classés en familles ou catégories selon leur propriétés, leur origine, … par exemple métaux, matières plastiques, matériaux naturels, …
La connaissance de ces groupes et des caractéristiques générales des matériaux qui les compose permet de faciliter le choix : on commence par s'orienter vers un groupe puis on choisit à l'intérieur de ce groupe. Toutefois, toutes les catégories ne sont pas pertinentes, et le fait de choisir une catégorie a priori ne conduit pas toujours au meilleur choix.
[modifier] Les différentes catégories
- Naturel/artificiel
Un matériau est toujours tiré de ressources naturelles (matière première) et est toujours transformé pour être utilisable. Les matériaux dits « naturels » sont des matériaux ayant subi peu de transformations et dont l'apparence rappelle la matière d'origine, par exemple :
- bois ;
- pierre ;
- fibres végétales (coton, chanvre, …) ;
- terre cuite ;
- caoutchouc (sève de l'hévéa).
Certains matériaux ont subi des transformations plus importantes, par exemple :
- verre : sable fondu ;
- ciment : roches broyées puis cuites ;
- métal : minerai réduit.
On a ensuite des matériaux n'existant pas dans la nature, des matériaux synthétiques, essentiellement les matières plastiques (polymères) et les céramiques « techniques ».
Mais, par exemple, en quoi le verre et le ciment sont-il « moins naturels » que la terre cuite ? Un caoutchouc, naturel, est plus proche d'un polymères, synthétique, que d'une pierre, naturelle. On voit donc que le classement en « naturel/artificiel » n'est que peu pertinent. Il est en fait plus intéressant de classer les matériaux selon leur impact environnemental ; effectivement, les matériaux dits « naturels » ont en général un impact environnemental moindre.
- Métal/céramique/polymère
On classe souvent les matériaux en trois catégories : les métaux, les céramiques et les polymères. Ce classement fait intervenir à la fois :
- les propriétés générales : on a des métaux plus ou moins mous, mais les céramiques sont toujours plus dures et plus fragiles que les métaux ;
- la nature chimique : les matériaux d'une même catégorie ont des structures proches.
Pour lister les matériaux les plus connus :
- métaux : fer, fonte, acier, cuivre, aluminium, bronze, or, argent ;
- céramiques : terre cuite, porcelaine, kaolin, grès, carbures, alumine, verre, roches ;
- polymères : bois, papier, coton, caoutchouc, PVC (vynil), propylène, silicone, polystyrène (expansé ou non), résines, colles, peintures, et de nombreuses marques déposées : Téflon, Plexiglas, Kevlar, Tergal, Nylon, Araldite, Formica, Bakélite, …
[modifier] Propriétés générales des matériaux
On peut donc attribuer des propriétés générales aux matériaux d'une même catégorie.
| Voir les exercices sur : Propriétés générales des catégories de matériaux. |
[modifier] Notes
- ↑ acronyme d'« application aux techniques d'entreprise », du nom de l'entreprise qui a déposé la marque dans les années 1960
- Note didactique
Le but de la partie Analyse fonctionnelle n'est pas d'étudier l'analyse fonctionnelle en soi. Elle est de faire le rapprochement entre le fonctionnement de l'industrie et les sciences fondamentales :
- pour une personne ayant un cursus technique ou technologique, cela met en évidence l'importance des sciences fondamentales pour l'étude des matériaux ;
- pour une personne ayant un cursus scientifique, cela permet de mettre dans le contexte de l'industrie les savoirs acquis.
Cette partie ne fera donc pas en tant que tel l'objet d'une évaluation. En particulier, on n'évaluera pas la capacité à rédiger un cahier des charges fonctionnel et à le mettre en forme avec un diagramme pieuvre et un tableau de hiérarchisation des fonctions de service. Toutefois, un exercice de l'évaluation finale devrait partir d'un besoin, exprimé ou à déterminer, et mener à un choix argumenté, afin de toujours mettre l'utilisation des connaissances et savoirs-faire dans le contexte ; le matériau sert, a une fonction, et n'est pas choisi au hasard.
