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Conférence matériaux 4 janvier 2017

Ecole Européenne de Chimie,

Polymères et Matériaux (ECPM)

www.hkw-aero.fr Jeune Entreprise Innovante

Programmes de formations

© Michel Kieffer 2016-2017 Indice A18 le 19.01.2017

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1 Introduction L'objectif est de définir "le bon matériau pour un usage

donné". Pour atteindre cet objectif, il nous faut connaître

les caractéristiques des matériaux et l'usage que l'on

recherche.

Pour chacune des caractéristiques ci-dessous, sont

proposés des anecdotes, exemples et usages dans le

domaine aéronautique, automobile etc.

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2 Processus de choix d’un matériau :

1- Définir le(s) critère(s) dominant(s) puis les critères

secondaires.

2- Sélectionner le(s) matériau(x) qui répond le mieux aux

critères dominants puis s'assurer que les critères

secondaires ne remettent pas en cause le choix initial.

3- Consulter (coût, disponibilité, pérennité…).

Au-delà de nos propres connaissances, il est essentiel de

nous faire conseiller par les producteurs et fournisseurs de

matériaux.

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3 Caractéristiques des matériaux 1- caractéristiques mécaniques : limite élastique, limite à la

rupture, limite à la fatigue, raideur (module d'élasticité,

coefficient de Poisson...), résilience, tenue à l'abrasion,

tolérance aux fissures...

2- masse volumique ;

3- états de surface obtenables (rugosité etc.) ;

4- facilité de transformation (usinage, pliage…) ;

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5- facilité d'assemblage (soudure, rivetage, boulonnage,

collage...) ;

6- tenue à la corrosion, aux agressions chimiques... ;

7- compatibilité avec d'autres matériaux (couples

galvaniques à éviter, coefficients de frottements avec

d'autres matériaux...) ;

8- conductibilité électrique, thermique... ;

9- coefficient de dilatation thermique ;

10- aspect économique : coût, disponibilité, pérennité... ;

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11- facilité de calcul (Matériaux isotropes ou non...) ;

12- recyclabilité (95% masse voitures…), facilité de

dissociation... ;

13- énergie nécessaire pour fabriquer le matériau (énergie

grise), idem pour le recycler ;

14- tenue au feu ;

15- règlementation liée au matériau et à l’usage (exemple :

industrie alimentaire ou pharmaceutique…) ;

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16- caractéristiques particulières propres aux carburants

(densité énergétique, tenue aux basses températures etc.).

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Le cas particulier des matériaux combinés :

Exemples :

- longerons avec semelles en carbone et âme en bois ;

- longerons composites ;

- sandwichs alu…

Attention à la difficulté de dissociation des matériaux en fin

de vie.

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4 Désignations et caractéristiques des matériaux, exemple : aluminium

Source : catalogue ALMET

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5 Problématique des couples galvaniques

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6 Point clé, les liaisons…

Les efforts se répartissent-ils de manière homogène entre les liaisons ?

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La réponse est sans équivoque :

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Comment y remédier ?

Dans ce contexte, comment se répartissent les efforts ?

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7 Le risque d’erreur dans les nuances utilisées

Par exemple, nous avons plusieurs nuances d’aluminium

pour une épaisseur de tôle donnée. Comment réduire le

risque d’erreur de nuance dans la réalisation d’une pièce ?

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8 Un principe général, la loi de Hooke…

Loi de Hooke : proportionnalité contrainte déformation…

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…mais la réalité n’est que rarement linéaire !

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L’instabilité des matériaux est un phénomène récurent……

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9 Etudes de cas

Rechercher les caractéristiques des matériaux…

Recherche du module de cisaillement

Recherche du module de cisaillement

Recherche de la contrainte limite de cisaillement

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…et problématique du collage.

Association carbone et bois, les calculs classiques ne sont plus applicables…

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Formes non développables = coût x cent !

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Le pass

Stabiliser des éléments composites…

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Mixer les matériaux pour stabiliser les matériaux…

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Faire passer des efforts conséquents dans des éléments composites…

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Le bois, un matériau léger, facile à usiner, peu coûteux…

Règle de base pour réduire les coûts : réaliser des ensembles 3D à partir d’éléments 2D découpés par CN…

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Une association performante : Pultrudés carbone + mousses hautes densités + biaxe carbone… associée à des méthodes de calculs imaginées pour l’occasion.

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Exemple de transformation de feuilles d’alu 2D en sous-ensembles 3D…

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L’instabilité des matériaux complique considérablement le développement…

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Solution corrective séduisante… mais rapidement abandonnée pour cause de coût démesuré…

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Des bancs en contreplaqué pour mettre en forme des tôles d’aluminium.

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Gabarits de montage en contreplaqué pour assembler un fuselage.

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Phase symbolique, la « mise en croix » d’un avion…

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Essais du longeron, rupture à dix % de la limite élastique. Quelle en est la cause ?

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-

Réduire considérablement le coût des essais !

Mesurer les déplacements pour vérifier la corrélation ou non entre calculs et réalité.

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Usinage CN de composants en CP.

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Usinage CN de gabarits en mousse puis mise en forme manuelle du moule du capot composants en CP.

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Peser pour vérifier la conformité avec l’objectif.

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Critère dominant pour la cloison pare feu : tenue à 1100 °C pendant 15’ !

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Aile dissociée : - permettant le contrôle à tout

moment du longeron ; - supprimant la problématique du

différentiel de coefficient de dilatation thermique entre carbone et aluminium ;

- permettant d’avoir un longeron d’un tenant donc non interrompu dans la partie la plus sollicitée.

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Elément en bois isolant le carbone de l’aluminium et limitant « l’ondulation » du longeron.

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Un calcul sans essais ne pèse pas lourd… Ceci explique que les essais sont imposés par la réglementation.

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Le calcul est incontournable mais n’est qu’une approximation plus ou moins juste voire très éloignée de la réalité :

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Encore et toujours, stabiliser les revêtements !

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Calculette et brainstorming pour résoudre les problèmes !

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Les déformations ne doivent pas entraver le fonctionnement des commandes sous charges maximales.

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Mais la structure doit supporter des charges extrêmes encore plus élevées...

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Cas de charge que ne rencontrera jamais l’avion dans sa vrai vie....

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Des efforts considérables sur les assises.

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Critères dominants pour les matériaux du tableau de bord :

- tenue au feu - résistance aux vibrations

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Critères dominants pour le circuit de carburant :

- résistance à l’essence - résistance à la chaleur du moteur - étanchéité - fiabilité

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Importance de la filtration…

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Critères dominants pour la verrière :

- tenue à l’impact - résistance à l’essence - résistance aux rayures - résistance aux UV - résistance à la chaleur (soleil) - qualités optiques acceptables - prix…

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Des qualités optiques acceptables…

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Critères dominants pour l’installation du parachute de secours :

- tenue mécanique - résistance au feu

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Critères de choix pour dissiper l’énergie cinétique d’une navette spatiale : tenue à la chaleur, légèreté, fiabilité… mais quasiment sans limites de coûts !

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Autres matériaux et choix techniques pour une légèreté extrême : l’avion Agrion, une masse à vide de 70 kg, un record mondial !

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8,4 m d’envergure et 6 mètres de long pour une masse à vide de 260 kg.

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Créativité, rigueur, matières scientifiques, un tel projet est une occasion majeure de former des étudiants. Les stagiaires ingénieurs conçoivent, fabriquent, mettent au point… sous le regard vigilant de leurs formateurs.

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Merci pour votre attention