Le choix des matériaux, facile

La sélection des matériaux avec la simplicité des graphiques d'Ashby

Avec leur simplicité, les graphiques Ashby sont un excellent support pour un choix raisonné des matériaux avec lequel vous pouvez réaliser vos pièces.

Voici un exemple pratique 

Imaginons le cas où vous êtes tenu d’avoir un composant léger et rigide en même temps (par exemple, le cadre d’un vélo de ville ordinaire).
Commençons par la carte «Module de Young»/«Densité» et dessinons 2 lignes qui nous permettent de ne mettre en évidence que les matériaux qui correspondent à nos besoins.

Premières remarques

1. Les valeurs de module de Young pour les polymères sont faibles (ils ont une faible rigidité), donc, la plupart des polymères semblent inutilisables.
2. Certains métaux, céramiques et bois peuvent être pris en considération, les composites semblent donc la meilleure solution.

Mais disons tout de suite qu’il est peu probable que l’analyse de seulement 2 propriétés soit suffisante pour le choix d’un matériau, alors: quelles autres propriétés est-il important de prendre en compte avant de choisir?
Considérons donc une deuxième fiche qui relie la «ténacité» et le «coût» parce qu’un «vélo de ville normal» ne peut pas coûter trop cher.

Que pouvons-nous observer à ce stade?

1. La ténacité de la céramique n’est suffisante que pour la charge de compression, mais elle est insuffisante tant en traction qu’en flexion.
2. Le bois n’est pas assez résistant tandis que les composites peuvent être trop chers.
3. Nous pouvons conclure en toute sécurité que les métaux semblent être le choix idéal.

Une fois que nous avons identifié une classe de matériaux prometteuse (dans ce cas, les métaux), nous devons décider quels membres de cette classe sont les meilleurs.
Nous devons donc nous demander: quel métal?
On peut réutiliser la première fiche simplement en remplissant de matériaux l’ensemble «métaux et alliages»:

Quelles réflexions pouvons-nous faire?

1. Certains métaux semblent très bons pour la légèreté et la rigidité comme le magnésium, l’aluminium, le titane, tandis que d’autres sont clairement éliminés, par exemple le plomb.
2. Les aciers sont lourds, mais aussi très rigides.

Alors, quel métal choisirons-nous?

Compte tenu de la résistance élevée et du coût relativement bas, nous pouvons dire que l’acier pourrait être le meilleur compromis.

Cela ne signifie évidemment pas que l’acier est absolument le meilleur matériau pour le cadre de n’importe quel vélo. En fait, selon les utilisations, vous pourriez opter pour la fibre de carbone, l’aluminium ou même le bois comme vous le voyez dans l’image à côté. Mais notre «spécification du projet» exigeait «un vélo de ville normal». Vous pouvez faire un test en vérifiant la position de ces autres matériaux sur les fiches et vous verrez que, avec les coûts ou d’autres paramètres, vous irez au-delà de ce qui peut être défini comme un vélo de ville normal.

Conclusions finales

Résumons ce que nous avons appris sur le choix des matériaux.

1. En comparant deux (ou même plus) fiches, vous pouvez rapidement évaluer les propriétés nécessaires pour répondre à vos exigences de conception clés.
2. Les graphiques peuvent être utilisés pour identifier les meilleures classes de matériaux, puis pour examiner ces classes plus en détail.

Il existe encore beaucoup d’autres facteurs à considérer, en particulier les méthodes de fabrication, l’épaisseur et la forme des composants, les tolérances et plus encore. Disons que la sélection faite par les graphiques doit être laissée suffisamment large pour pouvoir garder un nombre suffisant d’autres options.
Au final, une bonne façon de résoudre le problème est d’utiliser les tableaux pour éliminer rapidement les matériaux qui ne conviennent absolument pas et éventuellement construire rapidement un prototype au lieu d’essayer d’identifier un seul et meilleur matériau trop tôt dans le processus de conception.

Nos spécifications de conception indiquaient clairement «vélo de ville normal», sinon il aurait été facile d’être tenté par le bois comme dans cette belle jungle.

Sources et lectures complémentaires:

Material selection from Wikipedia, the free encyclopedia https://en.wikipedia.org/wiki/Material_selection

Materials Selection for Mechanical Design.
Ashby Map for Stiffness-based and Strength-based Design: youtube video here

What is a Material Property Chart?
https://grantadesign.com/education/students/charts/