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Année Universitaire 2018-2019 République Algérienne Démocratique et Populaire M

Année Universitaire 2018-2019 République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université a. Mira Bejaia Faculté de Technologie Département de Génie des Procèdes Polycopie de cours Matière : Procédés de transformation et mise en forme des Matériaux Niveau : Master I Génie des Procédés des Matériaux Présenté par Dr. CHIBANI NACERA 1 Sommaire CHAPITRE I : NOTIONS SUR LES PROCEDES TECHNOLOGIQUES DE FABRICATION DES MATERIAUX ....................................................................................... 1 I.1. Définition d’un procédé industriel ................................................................................... 1 I.2. Notion sur l’optimisation des procédés ............................................................................ 1 I.3. Paramètres d’influence du procédé .................................................................................. 3 I.4. Passage de la méthode à la technique vers le procédé ..................................................... 4 I.5. Comparaison entre procédé à l’échelle du Laboratoire et à l’échelle Industrielle ........... 5 I.6. Mise en place du procédé industriel ................................................................................. 5 Aides au choix du matériau ................................................................................................ 6 Indice des matériaux ........................................................................................................... 7 Indices de performance pour les matériaux ........................................................................ 9 Calcul de la limite de résistance pour la performance maximale des ressorts ................. 10 I.7. Etapes du processus de fabrication des matériaux ......................................................... 10 CHAPITRE II. TYPOLOGIE DES PROCEDES .................................................................... 12 II.1. Primaire ........................................................................................................................ 12 Forme de la pièce moulée ................................................................................................. 13 II. 2. Secondaire ................................................................................................................... 13 II.3. Tertiaire ........................................................................................................................ 14 CHAPITRE III: CLASSIFICATION DES PROCEDES DE MISE EN FORME ................... 15 III.1. Par enlèvement de matière .......................................................................................... 15 III.2. Par déformation .......................................................................................................... 15 III.3. Par moulage ................................................................................................................. 16 III.4. Techniques de pointes ................................................................................................. 16 CHAPITRE IV. PROCEDES DE MISE EN FORME DES MATERIAUX METALLIQUES .................................................................................................................................................. 17 IV.1. Préparation des matières premières ............................................................................. 17 Matières Minérales ........................................................................................................... 17 Extraction des métaux (élaboration des métaux) ............................................................. 17 IV.2. Processus de fusion des composés métalliques ........................................................... 18 IV.3. Forgeage ..................................................................................................................... 19 Avantages du forgeage ..................................................................................................... 19 IV.3. Fonderie ...................................................................................................................... 19 Rôle et possibilités de la fonderie .................................................................................... 20 Moulage ............................................................................................................................ 20 Classement des procédés de moulage .............................................................................. 20 IV.4. Emboutissage .............................................................................................................. 22 2 IV.5. Frittage ........................................................................................................................ 23 CHAPITRE V. PROCEDES DE MISE EN FORME DES POLYMERES ET DES COMPOSITES (MISE EN FORME DES COMPOSITES A MATRICE THERMODURCISSABLE) .................................................................................................... 25 V.1. Rhéologie des polymères .............................................................................................. 25 Caractéristiques de la mise en œuvre des polymères thermoplastiques ........................... 25 Comportement pseudo plastique ...................................................................................... 26 Comportement viscoelastique .......................................................................................... 27 Aspects phénoménologiques de l’élasticité ...................................................................... 29 Extension uniaxiale .......................................................................................................... 29 Contraction latérale et coefficient de Poisson .................................................................. 30 Viscoélasticité linéaire ...................................................................................................... 30 V.2. Procédés industriels de transformation et fabrication des polymères .......................... 32 Polymérisation en suspension .......................................................................................... 33 Polymérisation en masse .................................................................................................. 34 Polymérisation en émulsion ............................................................................................. 35 Polymérisation en phase gazeuse ..................................................................................... 36 Polymérisation en solution ............................................................................................... 37 V.3. Solidification et mise en forme des polymères ............................................................ 37 Extrusion .......................................................................................................................... 37 1 CHAPITRE I : NOTIONS SUR LES PROCEDES TECHNOLOGIQUES DE FABRICATION DES MATERIAUX I.1. Définition d’un procédé industriel C’est la méthode à suivre pour obtenir un produit et, pour prendre un exemple simple, on peut dire qu’un procédé s’apparente à une recette de cuisine… Le procédé est immatériel et se présente sous la forme d’un texte accompagné de schémas explicatifs formant le « livre du procédé » (process data book). On y décrit les ingrédients à utiliser, les moyens matériels à prévoir, les opérations à exécuter et les conditions (pression, débit, température, etc.) à respecter pour obtenir le produit à fabriquer, en quantité (capacité de production) et en qualité. Le procédé doit être matérialisé par une unité de production ou processus. I.2. Notion sur l’optimisation des procédés Au cours de ces dernières années, les exigences de qualité et sûreté de fonctionnement, exprimées par les clients, ont contraint les entreprises `a concevoir et réaliser de nouveaux produits exempts de défaillances dans leurs utilisations nominales. De ce fait, les contraintes au niveau de la fabrication sont de plus en plus sévères. Dans le cas des procédés de mise en forme (pliage, emboutissage, extrusion ou découpage), la maitrise, l’optimisation et la réduction de la variation des caractéristiques (Figure 1) des pièces fabriquées sont des composantes essentielles de la qualité des produits. 2 Figure1. Facteurs influençant la variation des caractéristiques des pièces. Actuellement, les méthodes d’optimisation des procédés de mise en forme sont basées sur des approches essentiellement empiriques qui ne permettent pas d’estimer rigoureusement la sensibilité des performances du produit par rapport aux paramètres influents du procédé. Ces méthodes consistent, généralement, à effectuer des calculs aléatoires permettant d’identifier l’optimum. Malgré les progrès réalisés dans ce domaine il existe encore de nombreuses pistes d’amélioration telles que : – Prise en compte des modes de défaillances observés (pièces, outillages) – Développement de méthodes d’optimisation rapides et paramétrées – Développement d’un support informatique pour une utilisation industrielle conviviale. L’optimisation des procédés de mise en forme consiste à déterminer les conditions opératoires optimales afin de : – Minimiser ou réduire un mode de défaillance redouté (usure, fatigue, etc.) – Minimiser les coûts de la production – Maximiser une performance recherchée (durée de vie de l’outil, cadence, résistance des pièces, etc.) L’optimisation des procédés reste une préoccupation majeure des chercheurs. Le processus d’optimisation, nécessite des connaissances qui vont souvent au-delà de leurs spécialisations. Par conséquent on peut dire que l’optimisation des procédés est à l’interface de trois disciplines : 3 Les mathématiques qui fournissent les algorithmes et les stratégies d’optimisation La mécanique qui offre les modèles, les hypothèses et les outils de simulations numériques L’informatique qui permet la mise en œuvre des deux disciplines précédentes afin d’automatiser le calcul (Figure 2). Figure 2. Les disciplines de l’optimisation des procédés I.3. Paramètres d’influence du procédé Les performances mécaniques des pièces de structures dépendent fortement du matériau utilisé et de son procédé de transformation. La « Mise en forme des matériaux s'intéresse aux matériaux lors de la transformation par déformation plastique (état solide), solidification (état liquide) ou compactage(poudres) dans tous les grands secteurs industriels : industrie du transport (ferroviaire, automobile aéronautique), de l'emballage, de l'énergie, du nucléaire et de la santé. Quel que soit la technique utilisée, il est primordial de se poser les questions suivantes: Quel est le matériau envisagé et le degré de complexité des pièces fabriquées? Quel est le type de machine envisagée et quelle est sa puissance? Quelle est la température de fabrication des pièces? Quel est le coût optimal de fabrication? Quelle est la cadence de fabrication des pièces? Pour la mise en forme de structure massive les principaux paramètres influents sont : 4 Température Matériau et ses caractéristiques Géométrie des outils Vitesse et pression de frappe Exemple les gradients de température entre la pièce chaude et l'outil plus froid induisent un refroidissement superficiel de la pièce, des écarts de contrainte d'écoulement qui tendent à modifier l'écoulement plastique avec des conséquences parfois néfastes : Géométriques (dimensions, écarts de forme) ; Mécaniques (contraintes résiduelles) ; Métallurgiques (structure, taille des grains, fissures). Pour la mise en forme des structures minces la réussite de la mise en forme dépend des paramètres suivants : Caractéristiques mécaniques ; Forme des outils ; Vitesse de mise en forme ; Lubrification des pièces et des outils. Pour les procédés d'enlèvement de matière (perçage, fraisage, tournage), les principaux paramètres sont : Conditions de coupe (angle de coupe, pas, vitesse, ductilité matériau) ; Efforts de coupe et la puissance consommée par la coupe ; Fractionnement du copeau ; État de surface obtenu sur la pièce, dont la rugosité ; Tenue des cotes ; Durée de vie des outils, éventuellement l'évolution de leurs usures. I.4. Passage de la méthode à la technique vers le procédé Plusieurs approches, décrites dans la littérature sont développées en vue de contrôler le procédé à une échelle et de le transposer à une autre échelle. Parmi celles-ci, il est possible de citer : Les méthodes basées sur le suivi d’un paramètre, représentatif d’une ou de plusieurs propriétés de la masse humide ou des granulés secs, comme la puissance consommée. 5 La modélisation du procédé à l'aide d'un plan d’expériences. Elle permet d’estimer la qualité des granulés produits lorsque les conditions opératoires sont modifiées à l’intérieur du domaine étudié. La modélisation des bilans de population. Actuellement, ces modèles sont utilisés comme outils d’étude. Ils semblent prometteurs pour le contrôle de procédé, mais n’ont jamais été utilisés pour la transposition d’échelle. I.5. Comparaison entre procédé à l’échelle du Laboratoire et à l’échelle industrielle Différents critères dirigent la conception des produits et de leurs processus de fabrication dans le milieu industriel tels que le coût et la cadence, cependant des critères liés à la performance des produits sont importants. Cela ne veut pas dire que des démarches d’analyse et de réduction des coûts ne soient pas constamment mises en place. On peut identifier les critères suivants, gravitant autour du tryptique Qualité-Coût-Délai : Qualité : masse du produit, performance mécanique ; Coût : coût matières, coûts d’investissement, coût de production ; Délai : temps de fabrication, temps de cycle. I.6. Mise en place du procédé industriel Une pièce est un élément d’un produit qui participe à la réalisation des fonctions techniques par ses formes fonctionnelles. Le plus souvent, elle est réalisée avec un seul matériau. Elle est obtenue par une ou plusieurs transformations de la matière depuis un uploads/Industriel/ cours-chibani-nacera-procedes-de-transformation-et-mise-en-forme-des-materiaux 1 .pdf