L`univers des matériaux.ai

Concours
l'Odyssée
de l'Objet
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Ma D e s
et
L'univers des matériaux
Cintre, bicyclette ou téléphone portable,
quel matériau choisir?
Métaux et alliages, bois, matières plastiques, verre, pierre, céramique, textile... quels matériaux précis ont été choisis
pour concevoir et fabriquer ces trois objets et pourquoi?
Utilisations, fonctions et contextes différents conditionnent le choix des matériaux utilisés dans la fabrication de ces
trois objets; trois matériaux ou association de matériaux possédant les propriétés et caractéristiques aptes à
répondre aux objectifs à atteindre dans trois univers différents.
Ces spécificités sont de différents ordres: les propriétés physiques et chimiques; les aptitudes spécifiques aux
formage, à l'usinage, à l'assemblage et à la finition; les caractéristiques d'aspect, fonctionnelles, économiques et
écologiques.
Pour te permettre de choisir le matériau idéal que tu destineras à ton objet après avoir découvert ses propriétés
physiques et chimiques (voir ci-dessous : Un survol des différents matériaux) , il te faudra relever les caractéristiques
de l'objet lui-même: qui l'utilisera, pour quelle fonction, de quelle manière, avec quelle fréquence et dans quel
contexte. C'est l'analyse de design initiale.
Le ou les matériaux une fois définis, nous te suggérons d'en découvrir les différents procédés de mise en oeuvre ;
ceux-ci conditionneront sa forme, sa fabrication, son utilisation ultérieure et son prix. (voir ci-dessous : Tu as choisi un
matériau… )
Bonnes découvertes !
Un survol des différents matériaux
Cet aperçu global est destiné à t'aider à organiser tes recherches ; ces quelques repères t'aideront à reconnaître et
nommer les grandes familles de matériaux, à repérer à quelle famille appartient un matériau, quelles sont entre
autres ses aptitudes au façonnage, sa résistance à la corrosion à l'air ou aux acides, ou son impact sur
l'environnement (aptitudes au triage et donc au recyclage).
Définition d'un matériau
Un matériau est une substance, une matière destinée à être mise en forme. Un objet peut être fabriqué avec des
matériaux différents. Un même matériau peut-être utilisé pour fabriquer des objets différents.
Classification
On peut classer les différents matériaux par quatre familles principales :
Le bois et ses dérivés.
Les céramiques et les verres
Les métaux
Les matières plastiques, le caoutchouc et les composites
le bois et ses dérivés
Le bois est un matériau naturel dont les caractéristiques varient en fonction de l'espèce et du type d'arbre dont il
est issu. Il peut être très tendre, comme le peuplier ou le bouleau, ou très dur comme le chêne, l'acacia ou l'okoumé.
Il est facile à usiner, en revanche, il est difficile à façonner par déformation.
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Les dérivés du bois : les agglomérés, les lamellés, les cartons
Ils sont utilisés dans la construction : le bâtiment, la fabrication de mobilier et l'emballage :
les agglomérés sont constitués de copeaux de bois collés à chaud sous presse ;
les lamellés sont constitués de couches de bois en lamelles collées à chaud sous presse ;
les cartons sont constitués de fibres de bois et de cellulose.
LES CERAMIQUES ET LES VERRES
LES CÉRAMIQUES
A l'origine fabriquées à partir d'argile (poteries), elles concernent également la faïence (carrelage, vaisselle) et la
porcelaine (isolant, vaisselle).
Aujourd'hui elles offrent davantage car elles sont de subtiles mélanges aux qualités exceptionnelles qui entrent
dans la composition d'un grand nombre d'objets - tables de cuisson, réacteurs d'avions, revêtement spéciaux…
LES VERRES
Matériaux très anciens, ils sont élaborés à partir de sable.
Obtenus par fusion, on peut leur ajouter des additifs afin de modifier leurs caractéristiques et leurs couleurs ; du
plomb par exemple pour le cristal.
Le verre est un matériau très dur mais très fragile. Mauvais conducteur de courant électrique, il est un bon isolant
électrique mais résiste peu à la chaleur. Il est utilisé dans la fabrication de bouteilles et de vitrages, mais également
de la " laine de verre" isolante.
les métaux
LES METAUX NATURELS
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Quelques métaux comme le fer, le cuivre, le zinc, l'étain, l'argent, l'or et le mercure existent à l'état naturel. Ils sont
peu utilisés dans leur état d'origine et sont très souvent alliés (d'où le terme " alliage") à d'autres matériaux, métaux
ou additifs divers, pour modifier leurs caractéristiques techniques et surtout mécaniques.
LES ALLIAGES DE FER ET DE CARBONE
La Fonte
La fonte est un alliage de fer et de carbone. Cet alliage est obtenu en incorporant au fer au moins 2% de carbone.
Le carbone est un élément non métallique que l'on trouve en général dans le charbon. En fusion, la fonte liquide se
moule facilement et prend très fidèlement la forme des moules correspondant aux objets que l'on veut fabriquer.
Très utilisée dans la fabrication de mobilier urbain, elle est également utilisée dans de nombreuses pièces
industrielles et domestiques.
L'Acier
L'acier comme la fonte est un alliage de fer et de carbone, mais il est constitué de moins de 2% de carbone. Il peut,
lui-même, être allié à de nombreux métaux tels que le magnésium, le chrome, le molybdène, le nickel, ou le
silicium.
Ces additifs donnent des nuances d'acier très diverses aux caractéristiques très différentes. Certains aciers sont de
ce fait plus ou moins fragiles, résistants, cassants ou élastiques.
L'ALUMINIUM
L'aluminium, métal naturel de couleur gris clair, présente l'avantage de résister à la corrosion et d'être très léger. Il
se moule facilement et se travaille sans difficulté. Il permet d'obtenir des objets aussi différents que la feuille
d'emballage très fine protégeant le chocolat ou des grandes pièces de l'industrie : pièces d'aéronautique ou de
pièces à usages domestiques : bâtiment, automobile, ustensiles de cuisine…
Les Alliages d'Aluminium :
Le mélange de l'aluminium avec d'autres matériaux permet de modifier ses caractéristiques techniques, physiques
et sa couleur.
Le Zamac : alliage d'aluminium et de zinc.
Il permet d'obtenir des pièces moulées de grande précision. Il est très fréquemment utilisé dans la fabrication de
pièces de décoration, des bijoux, des maquettes.
Le Duralumin : alliage d'aluminium, de cuivre et de magnésium.
Il est très rigide et plus dur d'où son nom.
Il est très utilisé dans la fabrication de mobilier, de fournitures de bureau et de composants destinés à l'aviation,
l'automobile et l'horlogerie.
LE CUIVRE
Métal de couleur rouge, il est très souvent employé dans le bâtiment : fils électriques, tuyaux de distribution d'eau
et de gaz, ustensiles de cuisine.
Il possède une conductibilité électrique très importante.
Les Alliages de Cuivre : Laiton, Bronze
Le Laiton : allié au zinc, l'assemblage donne du laiton. De couleur jaune, ce matériau se moule parfaitement et
s'usine très facilement donnant des pièces de très grandes précision telles que la robinetterie.
Il se prête à des formages très complexes comme, par exemple, les instruments de musique.
Le Bronze : allié à l'étain, l'assemblage forme du bronze.
De couleur jaune, ce matériau se moule parfaitement et est utilisé pour produire de petites séries et s'usine très
facilement donnant des pièces de très grande précision : robinetterie, objets décoratifs : sculptures.
LES MATIERES PLASTIQUES
Les matières plastiques sont de matériaux synthétiques : ils n'existent pas à l'état naturel. Ils ont été crées en
transformant par réactions chimiques le charbon, le pétrole et le bois.
Ces matériaux sont de bons isolants. Compte tenu de leurs caractéristiques, ils peuvent, pour certains, remplacer
l'acier.
Deux grandes familles : les thermodurcissables et les thermoplastiques.
Les matières plastiques thermodurcissables :
A l'origine de la découverte des matières plastiques, les matières plastiques thermodurcissables sont dures et
rigides. Une fois moulées, elles ne peuvent plus être déformées. Ce sont de très bons isolants de la chaleur et de
l'électricité. Elles sont utilisées dans de nombreuses applications dans l'industrie et dans les appareils domestiques.
Les matières plastiques thermoplastiques:
D'une grande plasticité, elles se moulent très facilement à chaud. Elles offrent d'excellentes caractéristiques
d'isolation. Leurs propriétés sont étendues et de nombreux objets de la vie courante en sont fabriqués. Cette
aptitude au formage a entraîné la mise au point de nombreux procédés de fabrication: injection ou soufflage à
partir de grains réchauffés, formage à partir de plaques que l'on plie ou que l'on aspire à chaud. Ils peuvent être
recyclés, refondus et réutilisés.
Le Caoutchouc et les matières plastiques caoutchouteuses
Le caoutchouc est obtenu à partir du " latex ", sève blanchâtre secrétée par un arbre, l'hévéa. Il a la propriété de
reprendre sa forme après avoir été déformé : les élastiques, les chambres à air de véhicules…
Aujourd'hui, on fabrique des " élastomères " synthétiques, matériaux aux propriétés très proches de celles du
caoutchouc.
LES composites
Comme les alliages, les matériaux composites sont constitués de plusieurs matériaux. Par contre, ils ne sont pas
mélangés; ils sont juxtaposés : matières plastiques et fibre de verre ou fibre de carbone. Cette juxtaposition donne
au matériau composite des aptitudes mécaniques très différentes de ses constituants : résistance et rigidité.
Ces matériaux sont plus solides que l'acier et aussi légers que les matières plastiques. Ils ont néanmoins un
inconvénient, ils sont onéreux et leur fabrication reste délicate et leur mise en oeuvre complexe.
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Tu as choisi un matériau ;
quels sont ses procédés de mise en oeuvre ?
les procédés de fabrication et d'usinage
- quels modes de découpe
- quels modes de formage
types de formes conseillées ou à éviter
types d'intervention mécaniques et chimiques à envisager
les procédés d'assemblage
- quels modes d'assemblage
mécaniques
soudage
collage
les procédés de finition
- quels aspects
à l'état brut(matériau de base)
à l'état semi-fini(matériau pré-transformé)
à l'état fini(produit fini)
- quels modes de protection
- quels traîtements de surface
les perspectives de recyclage
- quels déchets en phase de fabrication
- quelles perspectives pour le produit après son abandon.
les données économiques
- notions de prix
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Quelques remarques utiles pour la mise au point de l'objet:
Simplifie au maximum toutes les caractéristiques physiques et fonctionnelles en vue de rendre aisés
l'assemblage et l'entretien et de réduire les frais de fabrication de l'objet.
Envisage la méthode de production la plus économique. Il s'agit surtout du problème d'économie de
matériau, où un design judicieux permet souvent des économies importantes.
Etudie ou choisis le type de matériau convenant aussi bien à la méthode de production qu'aux exigences de
la conception.
Cherche à réduire au minimum le nombre d'opérations séparées lors de l'usinage, du finissage, du formage,
du moulage, de l'assemblage, etc.
Ne perds jamais de vue la facilité de fixation et de manutention de la pièce en cours de production.
Ne prescris pas un degré de fini ou de précision qui ne soit en rapport avec le type de produit fabriqué ou
avec les méthodes envisagées pour la production.
Facilite au maximum l'entretien de la pièce en service, et notamment son accessibilité.