[Matériaux, histoire d'une vie #2] Guide pour bien choisir ses matériaux

Cogitons sciences

Comment faire un choix de matériau pertinent et selon quels critères ? Pour quelle application ? Sur quelle méthode de sélection peut-on s’appuyer ? Ces questions ont été posées à Bruno Chenal, président de la SF2M, la Société Française de Métallurgie et de Matériaux.

La carte d'identité du matériau [6:00 - 16:07] Le nombre de matériaux augmente et leur choix est de plus en plus complexe. « De nouveaux matériaux permettent un nouvel usage et améliorent les performances d’un produit. L’aluminium et ses alliages, liés à l’histoire de l’aéronautique, ont permis des avions plus rapides, de plus grande capacité, plus légers. » Le choix d’un matériau pour une application donnée se base sur ses propriétés, son procédé d’élaboration et de fabrication, et son design. « C’est ce que définit le cahier de charges. » Bruno Chenal distingue « les propriétés intrinsèques, qui définissent la carte d’identité du matériau », d'un côté et de l’autre, « ses propriétés extrinsèques qui interviennent lors de sa sélection finale : son prix, son impact environnemental, sa disponibilité, l’aspect santé-sécurité. »

Évolutions du cadre de vélo [16:20 – 20:26]
Ce passionné de cyclisme illustre son propos avec un cadre de vélo. « Les propriétés attendues sont la rigidité, l’élasticité, le dynamisme, le poids, la durabilité, mais aussi le prix et le fait de pouvoir le fabriquer en série ». Les cadres de vélo ont longtemps été en acier. Ils ont été allégés, grâce aux alliages d’acier, et à des tubes amincis. L’aluminium est trois fois plus léger que l’acier, plus cher et moins résistant. Le diamètre des tubes a été augmenté pour les renforcer. Les composites à fibres de carbone offrent des cadres plus légers. Plus cher, le titane allie une faible densité aux caractéristiques élevées de l’acier. Enfin, les composites permettent des formes d’ailes d’avion, pour un aérodynamisme amélioré. Différents compromis conduisent à différents choix.

Sélectionner... [20:35 – 24:07] Bruno Chenal propose de s’appuyer sur « une méthode rationnelle de choix qui permet de faire le choix optimal d’un matériau », mise au point par le professeur Michael Ashby. Dans les diagrammes d’Ashby, une propriété donnée est représentée et les matériaux sont positionnés, chacun dans des domaines. Elle permet de restreindre les choix des matériaux, pour arriver à une seule solution.

...Et fabriquer ! [24:16 – 30:38] Reste la question de la fabrication du matériau et du produit. « La fabrication additive donne accès à des géométries impossibles à produire par usinage. Le fait de pouvoir produire ces pièces en une seule fois avec un seul matériau ouvre de nouvelles perspectives. De nouveaux matériaux, mieux adaptés, peuvent être développés. ». Bruno Chenal recommande l’approche la plus ouverte possible. Un choix est un compromis.

Références citées :

Laboratoires Bell Labs Les professeurs Michael Ashby, de l’Université de Cambridge, et Yves Bréchet, de l’Université de Grenoble Les diagrammes d’Ashby
Logiciel Granta Design d’Ansys « Une industrie accro aux minerais de conflit », épisode #2 podcast Cogitons Sciences sur les matériaux

Ressources pour aller plus loin : - Livres de Michael Ashby : « Choix des matériaux en conception mécanique », Dunot, 2012 « Matériaux et environnement : choix écoresponsable en conception », Dunot - De Michael Ashby et Yves Bréchet : « Sélection des matériaux et procédés de mise en œuvre », 2001. - Choix et usage des matériaux, article de ressources documentaires de Techniques de l’Ingénieur corédigé par Yves Bréchet, Michael Ashby, Michel Dupeux et François Loucher.

Cogitons Sciences est un podcast produit par Techniques de l’Ingénieur. Cet épisode a été réalisé par Marie-Caroline Loriquet, en collaboration avec Intissar El Hajj Mohamed. Le générique a été réalisé par Pierre Ginon et le visuel du podcast a été créé par Camille Van Belle.