Fiche de révision : Procédés et matériaux industriels

📋 Plan du Cours

1. Dépôts métalliques protecteurs
2. Verres et céramiques
3. Polymères thermoplastiques et thermodurcissables
4. Mise en forme des polymères
5. Composites et renforts
6. Béton armé et renforts métalliques
7. Fabrication des composites
8. Multimatériaux et structures sandwich
9. Choix des procédés de mise en œuvre
10. Impression 3D métallique
11. Finition selon la complexité géométrique
12. Critères de sélection des procédés
13. Assemblage et choix des procédés

📖 1. Dépôts métalliques protecteurs

🔑 Notions clés & Définitions

• Galvanisation : La galvanisation est un procédé qui recouvre l’acier d’un dépôt de zinc afin de le protéger de la corrosion.

★ À maîtriser

• Le zinc se corrode progressivement et forme une couche passivante, protégeant l’acier par une protection sacrificielle.

Compléments

• La galvanisation à chaud consiste à immerger une pièce d’acier dans un bain de zinc fondu pour obtenir un dépôt adhérent.

• À l’interface entre le zinc et l’acier se forment des composés intermétalliques qui assurent l’adhérence du dépôt.

• La dorure électrolytique dépose une couche d’or sur un autre métal, par exemple pour produire un objet plaqué or.

💡 Astuce mémo

Le zinc s’oxyde avant l’acier → protection sacrificielle

📖 2. Verres et céramiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Verre de silice : Le verre de silice est obtenu en fondant du dioxyde de silicium, dont la forme cristalline naturelle est le quartz.

★ À maîtriser

📌 La silice cristalline possède un ordre à longue distance, tandis que le verre solidifié conserve une structure désordonnée à courte distance.

• L’ajout de chaux, ou d’oxyde de calcium, fragmente les chaînes de silice et abaisse la température de fusion du verre à vitre vers 1 400 à 1 500 °C.

• Les céramiques techniques sont généralement mises en forme par métallurgie des poudres, qui compacte une poudre puis la chauffe pour provoquer la diffusion entre les grains et former des joints.

• Les céramiques traditionnelles sont façonnées à partir d’une pâte contenant de l’eau, puis cuites dans un four pour obtenir des objets solides.

Compléments

• Le verre de silice pur peut fondre à une température d’environ 1 710 °C.

• Le verre à vitre peut être étalé sur un bain métallique fondu, puis solidifié progressivement pour former des plaques minces et planes.

• Les rubis et les saphirs sont constitués d’alumine, et l’oxyde de chrome donne à l’alumine une couleur rouge.

💡 Astuce mémo

Le verre désordonné fond plus facilement que la silice cristalline

📖 3. Polymères thermoplastiques et thermodurcissables

★ À maîtriser

📌 Les thermoplastiques sont formés de chaînes de polymères indépendantes, tandis que les thermodurcissables possèdent des chaînes reliées entre elles par réticulation.

• Lors du cisaillement, la viscosité des thermoplastiques diminue fortement, ce qui facilite leur injection dans un moule.

• La vulcanisation transforme le caoutchouc en reliant ses chaînes de polymères par des ponts soufrés ou disulfurés.

📌 Les thermoplastiques peuvent être refondus et recyclés, tandis que les thermodurcissables réticulés ne peuvent généralement pas être refondus et sont souvent éliminés ou incinérés.

Compléments

• Les exemples de thermoplastiques sont :

  • PVC
  • polyéthylène
  • polypropylène

• Les thermoplastiques présentent généralement une transition vitreuse et une viscosité très sensible à la température, plutôt qu’un point de fusion unique bien défini.

• Le caoutchouc vulcanisé et la résine urée-formaldéhyde sont des exemples de thermodurcissables.

💡 Astuce mémo

Thermoplastique : chaînes indépendantes ; thermodurcissable : réseau réticulé

📖 4. Mise en forme des polymères

★ À maîtriser

• L’extrusion des thermoplastiques consiste à malaxer des granulés dans une vis sans fin chauffée, puis à pousser la matière à travers une filière qui lui donne une forme continue.

• Le moulage par injection permet de fabriquer des pièces thermoplastiques tridimensionnelles en injectant la matière dans un moule.

Compléments

• Le laminage fait passer le polymère entre des cylindres afin d’obtenir des plaques d’épaisseur variable.

• Les cartes de crédit peuvent être produites par laminage à chaud, avec insertion possible d’une puce électronique.

• Le soufflage permet de former des pièces minces, notamment des sacs en polyéthylène, dont le matériau s’étire et se rigidifie pendant la mise en forme.

• Les thermodurcissables peuvent être mis en forme à partir de poudres partiellement polymérisées, ensuite comprimées et chauffées pour achever leur réticulation.

📖 5. Composites et renforts

🔑 Notions clés & Définitions

• Composite : Un composite associe une matrice et un renfort afin de combiner leurs propriétés.

★ À maîtriser

📌 Une fibre résiste fortement à la traction, mais possède peu de résistance à la compression.

• Dans un composite à matrice polymère renforcé de fibres, les fibres améliorent la résistance mécanique, tandis que la matrice assure la cohésion de l’ensemble.

• Le béton est un composite constitué notamment de ciment, de sable et de gravier, et il résiste bien à la compression mais mal à la traction.

Compléments

• Les renforts fibreux cités sont :

  • fibres de verre
  • fibres de carbone
  • Kevlar
  • polyéthylène haute densité

• Une coque de bateau en composite polymère-fibre peut être légère, résistante mécaniquement et étanche à l’eau.

📖 6. Béton armé et renforts métalliques

📝 Points essentiels

• Dans le béton armé, les armatures d’acier sont disposées selon la forme de la structure et la direction du chargement principal afin de reprendre les efforts de traction.

• Dans une pièce en flexion, le béton reprend les efforts de compression dans l’intrados, tandis que les armatures d’acier reprennent une partie des efforts de traction dans l’extrados.

💡 Astuce mémo

Le béton résiste en compression ; l’acier reprend la traction.

📖 7. Fabrication des composites

★ À maîtriser

• 🔄 L’infusion d’un composite se déroule en trois étapes :

  1. Placer le renfort fibreux dans un moule.
  2. Aspirer la résine liquide pour imprégner le renfort.
  3. Laisser la résine se solidifier.

• La fibre de carbone est obtenue par carbonisation à chaud d’une fibre précurseur en absence d’oxygène, ce qui élimine l’hydrogène et permet au carbone de se réorganiser en feuillets de graphène.

Compléments

• La résine époxy peut être dégazée avant l’infusion afin de limiter l’air piégé et la formation de défauts dans le composite.

• Les composites carbone-époxy sont utilisés notamment en aéronautique et dans les voitures de Formule 1 pour réduire la masse.

• Un profilé composite peut être fabriqué en plaçant du tissu de carbone sur les faces internes de deux profilés servant de moule, en injectant de la résine, puis en démoulant après durcissement.

• La fibre de carbone est légère et présente une résistance mécanique élevée ainsi qu’une forte ténacité grâce à l’organisation de ses feuillets de graphène.

• La fibre de verre est obtenue en étirant du verre à grande vitesse pour former des fils.

• Le Kevlar est un polyaramide dont les chaînes polymères s’alignent lors de la dissolution dans certains solvants, ce qui contribue à la ténacité élevée et à la résistance au cisaillement des fils obtenus.

• Les tissus de Kevlar sont employés notamment dans les gilets pare-balles et dans des vêtements protégeant les motards contre l’abrasion lors d’une chute.

📖 8. Multimatériaux et structures sandwich

🔑 Notions clés & Définitions

• Multimatériau : Un multimatériau est une association hétérogène de matériaux distincts, comme un mur de briques liées par du ciment.

★ À maîtriser

• Un panneau sandwich aéronautique peut associer un cœur en nid d’abeilles à des renforts extérieurs étanches pour combiner légèreté, rigidité et étanchéité.

Compléments

• Des mousses isolantes insérées entre deux parois de maçonnerie constituent un exemple de multimatériau utilisé pour améliorer l’isolation d’un bâtiment.

💡 Astuce mémo

Un cœur en nid d’abeilles pris entre deux peaux étanches.

📖 9. Choix des procédés de mise en œuvre

🔑 Notions clés & Définitions

• Analyse de cycle de vie : L’analyse de cycle de vie évalue les étapes nécessaires à l’obtention du précurseur et du produit fini, ainsi que les substances et consommables employés lors de la mise en œuvre.

★ À maîtriser

• Le choix d’un procédé dépend notamment de : la géométrie et la précision attendue de la pièce, la nature du matériau, la taille de la série, le coût, la taille de la pièce, l’impact environnemental

📌 Le forgeage convient à des pièces relativement massives et peu précises, tandis que l’usinage permet d’obtenir des détails plus fins et une meilleure qualité de surface ou des tolérances plus précises.

Compléments

• La fabrication en grande série favorise les procédés automatisables dont les équipements peuvent être rentabilisés, tandis qu’une pièce unique peut justifier un procédé ou un moule à usage unique.

• L’impression 3D métallique peut générer des déchets de poudre métallique, dont la production et la dispersion dans l’environnement posent des enjeux écologiques et de sécurité.

• La température de fusion limite les procédés possibles et les applications d’un matériau ; les températures élevées d’un réacteur d’avion excluent notamment le carbone-époxy et l’aluminium pour son cœur.

• Les superalliages à base de nickel ou de cobalt sont employés dans les parties chaudes des réacteurs pour leur résistance aux températures élevées, leur faible dilatation thermique et leur résistance à l’oxydation.

• La dureté et la rigidité d’un matériau influencent les performances mécaniques, la résistance à l’abrasion et l’usure des outils de mise en œuvre.

• Les céramiques sont souvent mises en forme par métallurgie des poudres, qui consiste à presser une poudre dans un moule puis à cuire l’ensemble.

• Le plomb peut être pressé à froid, tandis que l’aluminium, le zinc et le magnésium peuvent nécessiter un chauffage pour être mis en forme par pressage.

📖 10. Impression 3D métallique

★ À maîtriser

• 🔄 La fusion laser sur lit de poudre suit ces étapes :

  1. Étaler une couche de poudre métallique sur le plateau.
  2. Fusionner au laser les zones voulues.
  3. Abaisser le plateau et répéter l’opération couche par couche jusqu’à obtenir la pièce.

• Le dépôt direct de métal forme une pièce couche par couche en déposant de la poudre ou un fil métallique par une buse avec un élément chauffant.

Compléments

• La fusion laser sur lit de poudre permet de fabriquer avec précision de petites pièces métalliques, mais la taille du plateau limite les dimensions des pièces à quelques centimètres ou à une dizaine de centimètres.

• Le dépôt direct de métal permet de produire des pièces de grande taille, mais leur précision peut être moindre et un post-traitement peut être nécessaire, notamment pour les applications aérospatiales.

💡 Astuce mémo

Déposer une couche, la fusionner, puis recommencer.

📖 11. Finition selon la complexité géométrique

★ À maîtriser

📌 Pour une pièce comportant des détails géométriques complexes, le moulage ou le forgeage peut former la pièce de base, puis l’usinage ou le fraisage réalise les détails fins.

Compléments

• Le microfraisage permet de réaliser des caractères ou d’autres éléments dont les détails sont très fins par rapport à la taille globale de la pièce.

💡 Astuce mémo

Moulage ou forgeage, puis usinage, puis microfraisage pour les détails les plus fins

📖 12. Critères de sélection des procédés

★ À maîtriser

• Le choix d’un procédé dépend notamment de :
  • l’application
  • du matériau
  • de la taille et de la géométrie de la pièce
  • de la qualité attendue
  • de la quantité à produire

📌 Une grande série peut justifier un équipement plus coûteux et automatisé, car son coût peut être amorti sur une quantité importante de pièces.

Compléments

• Une tolérance dimensionnelle stricte peut nécessiter un procédé d’usinage, tandis que des tolérances modérées peuvent être compatibles avec le forgeage ou le moulage.

• Pour une grande série, la quantité de matière consommée peut devenir un facteur déterminant du coût de production.

• Les procédés de finition ne sont pas toujours nécessaires, et le procédé choisi peut varier selon le précurseur de la pièce.

📖 13. Assemblage et choix des procédés

★ À maîtriser

📌 Une pièce monobloc peut être obtenue par moulage, tandis qu’un produit multicomposant peut nécessiter un procédé d’assemblage comme le collage, le soudage, le rivetage ou le boulonnage.

• Une bougie d’allumage doit être isolante électriquement et résister à la chaleur ; pour sa fabrication en grande série, le cours retient une céramique d’alumine comme matériau adapté.

Compléments

• Un profilé en I peut être assemblé à partir de plaques découpées et soudées lorsque sa forme rend difficile sa fabrication par étirage à chaud.

• 🔄 Le soudage thermitique des rails se déroule ainsi : un mélange d’aluminium et d’oxyde de fer est utilisé, la réaction produit une matière à environ 2000 °C, cette matière soude les rails, une finition vise à obtenir une continuité de surface

• Le rivetage à chaud consiste à presser un rivet chaud à travers deux plaques ; en refroidissant, le rivet se contracte et bloque les éléments de manière permanente.

• Un câble électrique peut recevoir un revêtement plastique sur son conducteur en cuivre afin d’isoler le matériau et de protéger l’utilisateur contre les courts-circuits.

💡 Astuce mémo

Le moulage produit une pièce monobloc ; le soudage assemble plusieurs éléments

📊 Tableaux de synthèse

Thermoplastiques et thermodurcissables

Matrice et renfort fibreux