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CHEN Shiyuan SM03 - DAUGUET Michel MT03

Projet de MQ05 :
Choix des matériaux pour

Une poêle parfaite

1
15 Juin 2012

Semestre Printemps 2012
Introduction
• Pourquoi prendre ce sujet ?
o Objet du quotidien qui soulève plusieurs problématiques
o Des notions peu connues

• Notre démarche :
o
o
o
o

Analyse des notions requises
Réalisation du cahier des charges
Application de la méthode Ashby
Comparaison des matériaux trouvés

2
Plan de soutenance
• Le cahier des charges
• 1. Le récipient
• 2. Le revêtement
• 3. Le manche
3
Le cahier des charges
Contraintes  Composants
Grande série : Procédé simple
Contact alimentaire
Tenue aux hautes T°C (≈350°C)
Fonction : Conducteur / Isolant
Bon marché
Praticité : Léger
Résistance à un effort mécanique
Compression / Flexion
Résistance à la corrosion
Antiadhésif
Anti-abrasion
Respect de l’environnement
Compatibilité avec l’induction

Le récipient
5

Le revêtement
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Le manche
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1. Le récipient
• Minimiser la distorsion thermique :
o Objectif : Le matériau doit conduire la chaleur
o Astreinte : Le matériau ne doit pas se déformer sous de hautes températures

o On utilise la conduction pour une surface plane et l’équation du coefficient de
dilatation thermique linéaire :
Densité de flux thermique

φ = - λ * (ΔT / e)

Déformation thermique

α = (1 / e) * (Δe / ΔT) P = εth / ΔT

Idp = λ / α = - (φ * e) / εth

5
1. Le récipient
• Liste des étapes pour choisir le matériau du récipient :
o Étape 1 : Conducteur de chaleur  λ ▲

o Étape 2 : Distorsion thermique  λ / α ▲
o Étape 3 : Résistance à la corrosion / T°C max d’utilisation (limite sous CES)
o Étape 4 : Emmagasiner l’énergie thermique  Cp / Cm ▲
o Étape 5 : Résistance aux chocs thermiques  Re / (α*E) ▲
o Étape 6 : Dur sous hautes températures  (α * E) / HV ▼
o Étape 7 : Empreinte carbone  (CO2 / kg) / Cm ▼

6
7
1. Le recipient
Critères  Matériaux
Transmission de
chaleur
Procédé de fabrication
Masse (g)
Prix (euro)
Résistance à la
corrosion
Contact alimentaire

Alliage Cu
Très bonne

Alliage Al
Excellente

Acier inox
Moyenne

Coef.
4

Très malléable
798 - 1 833
1,96 - 4,5
Très bonne

Très malléable
266 - 2 012
1,47 - 11,16
Bonne

Moins malléable
1 036 - 1 682
2,18 - 3,53
Excellente

5
4
5
2

Incertain

Des doutes

Aucune étude

5

Compatibilité
induction
Respect de
l’environnement
Résistance à la rayure
Nb de points par
couleur
Total des points

Incompatible

Mauvaise

Bonne

1

Mauvais

Moyen

Bon

1

Bon
0

Mauvais
1

Moyen
2

3
x

33

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2. Le revêtement
• Minimiser la tension de surface:
o Objectif : Le matériau doit être le plus antiadhésif possible donc avoir la plus
faible tension de surface

o On utilise la notion de robustesse pour estimer l’énergie de surface:
Robustesse : Vitesse critique de l’énergie de déformation

G > 2 * A * Es Gc ≈ 2 * γs
γs = A * Es
Énergie de surface
Ténacité

KIC = (E * Gc) ½

Idp = E / KIC² = 1 / Gc ≈ 1 / (2 * γs)

9
2. Le revêtement
• Liste des étapes pour choisir le matériau du revêtement :
o Étape 1 : Résistance à la corrosion / T °C max d’utilisation (limite sous CES)

o Étape 2 : Antiadhésive  E / KIC² ▲
o Étape 3 : Anti-abrasif  HV ▲
o Étape 4 : Emmagasiner l’énergie thermique  Cp / Cm ▲
o Étape 5 : Dur sous hautes températures  (α * E) / HV ▼
o Étape 6 : Résistance à la compression  Re’ / E ▲

10
11
2. Le revêtement
Critères  Matériaux

PTFE

Vitro
céramique
Très bonne

Carbone
vitreux
Excellente

Coef.

Tenue aux hautes T°C

Mauvaise

Contact alimentaire
Résistance à la compression

Remis en
cause
11,2 - 12,3

Excellente

Excellente

5

70 - 200

150 - 300

2

Prix (euro)
Résistance à la corrosion
Respect de l’environnement

8,42 - 16
15,8 - 47,5
Excellente Excellente
Recyclable + impactant

8,56 - 13
Excellente
- impactant

1
5
1

Antiadhésif ( γs)
Anti-abrasion (dureté HV)
Procédé / mise en œuvre
Nb de points par couleur

2 556
6,2
Simple
0

17
35,5
Complexe
1

97
67,5
Complexe
2

4
5
5
x

Total des points

28

42

51

3

12
3. Le manche
• Maximiser la résistance à la flexion :
o Objectif : Minimiser la masse
o Astreinte : Le matériau doit résister à la flexion encastrée
o On utilise l’expression de la flèche due à une flexion encastrée et celle de la
masse :
Moment quadratique
Flèche

δ = (F * L3) / (3 * E * I)
I = (b * h * h²) / 12
m=ρ*L*h*b
δ = (4 * ρ * L4 * F) / (E * m * h²)

Idp = ρ / E = (m * h² * δ) / (4 * F * L4)

13
3. Le manche
• Liste des étapes pour choisir le matériau du récipient :
o Étape 1 : Non inflammable / T°C max d’utilisation (limite sous CES)
o Étape 2 : Bon marché et léger  Cp / ρ ▲
o Étape 3 : Isolant 1 / λ ▲
o Étape 4 : Distorsion thermique  λ / α ▼

o Étape 5 : Résistance aux chocs thermiques  Re / (α*E) ▲
o Étape 6 : Résistant à la flexion encastrée  Re / ρ ▲
o Étape 7 : Résistant à la flexion encastrée  ρ / E▼
o Étape n°8 : Isolant  (ρ * Cp) / λ ▲
o Étape n°9 : Énergie pour mouler le polymère  (Emoulage) / Cm ▲

14
15
3. Le manche
Critères  Matériaux

PCT

PET

PF

Coef.

Tenue aux hautes T°C
Déformation thermique (10-4m)

Bonne

Mauvaise

Moyenne

4

1,47

0,94

1,41

4

Déformation mécanique (10-4m) 1,95

1,93

1,14

4

Isolant (A en 10-7m²/s)

2,49

2,50

2,16

5

Masse (g)

155

171

184,5

3

Prix (euro)

0,606

0,445

0,488

4

Ténacité

Moyen

Mauvais

Bon

1

Respect de l’environnement
Procédé / Mise en oeuvre
Nb de points par couleur
Total des points

+ impactant
Simple
0
31

- impactant
Simple
1
35

++ impactant 1
Complexe
5
2
37

16
Conclusion
• Ce que l’on retient de notre projet
o De nouvelles notions
o La méthode Ashby

• Points noirs de notre projet :
o Cohérence thermique entre le revêtement et le métal
o Mauvaises estimations et approximations…
o Minimiser la capacité calorifique et non la maximiser !

17
Conclusion
• Un choix des matériaux cohérent avec la réalité?

• Récipient :
o Inox ferritique
o Alliage aluminium 3000

• Revêtement :
o Carbone amorphe
o Beaucoup de polymères

18
Merci de votre
attention
19

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La poêle parfaite

  • 1. CHEN Shiyuan SM03 - DAUGUET Michel MT03 Projet de MQ05 : Choix des matériaux pour Une poêle parfaite 1 15 Juin 2012 Semestre Printemps 2012
  • 2. Introduction • Pourquoi prendre ce sujet ? o Objet du quotidien qui soulève plusieurs problématiques o Des notions peu connues • Notre démarche : o o o o Analyse des notions requises Réalisation du cahier des charges Application de la méthode Ashby Comparaison des matériaux trouvés 2
  • 3. Plan de soutenance • Le cahier des charges • 1. Le récipient • 2. Le revêtement • 3. Le manche 3
  • 4. Le cahier des charges Contraintes Composants Grande série : Procédé simple Contact alimentaire Tenue aux hautes T°C (≈350°C) Fonction : Conducteur / Isolant Bon marché Praticité : Léger Résistance à un effort mécanique Compression / Flexion Résistance à la corrosion Antiadhésif Anti-abrasion Respect de l’environnement Compatibilité avec l’induction Le récipient 5 Le revêtement 5 Le manche 5 5 5 4 5 4 5 5 4 1 1 0 2 0 4 5 3 4 5 2 0 3 1 1 5 4 5 1 0 0 0 0 1 0 4
  • 5. 1. Le récipient • Minimiser la distorsion thermique : o Objectif : Le matériau doit conduire la chaleur o Astreinte : Le matériau ne doit pas se déformer sous de hautes températures o On utilise la conduction pour une surface plane et l’équation du coefficient de dilatation thermique linéaire : Densité de flux thermique φ = - λ * (ΔT / e) Déformation thermique α = (1 / e) * (Δe / ΔT) P = εth / ΔT Idp = λ / α = - (φ * e) / εth 5
  • 6. 1. Le récipient • Liste des étapes pour choisir le matériau du récipient : o Étape 1 : Conducteur de chaleur  λ ▲ o Étape 2 : Distorsion thermique  λ / α ▲ o Étape 3 : Résistance à la corrosion / T°C max d’utilisation (limite sous CES) o Étape 4 : Emmagasiner l’énergie thermique  Cp / Cm ▲ o Étape 5 : Résistance aux chocs thermiques  Re / (α*E) ▲ o Étape 6 : Dur sous hautes températures  (α * E) / HV ▼ o Étape 7 : Empreinte carbone  (CO2 / kg) / Cm ▼ 6
  • 7. 7
  • 8. 1. Le recipient Critères Matériaux Transmission de chaleur Procédé de fabrication Masse (g) Prix (euro) Résistance à la corrosion Contact alimentaire Alliage Cu Très bonne Alliage Al Excellente Acier inox Moyenne Coef. 4 Très malléable 798 - 1 833 1,96 - 4,5 Très bonne Très malléable 266 - 2 012 1,47 - 11,16 Bonne Moins malléable 1 036 - 1 682 2,18 - 3,53 Excellente 5 4 5 2 Incertain Des doutes Aucune étude 5 Compatibilité induction Respect de l’environnement Résistance à la rayure Nb de points par couleur Total des points Incompatible Mauvaise Bonne 1 Mauvais Moyen Bon 1 Bon 0 Mauvais 1 Moyen 2 3 x 33 36 31 8
  • 9. 2. Le revêtement • Minimiser la tension de surface: o Objectif : Le matériau doit être le plus antiadhésif possible donc avoir la plus faible tension de surface o On utilise la notion de robustesse pour estimer l’énergie de surface: Robustesse : Vitesse critique de l’énergie de déformation G > 2 * A * Es Gc ≈ 2 * γs γs = A * Es Énergie de surface Ténacité KIC = (E * Gc) ½ Idp = E / KIC² = 1 / Gc ≈ 1 / (2 * γs) 9
  • 10. 2. Le revêtement • Liste des étapes pour choisir le matériau du revêtement : o Étape 1 : Résistance à la corrosion / T °C max d’utilisation (limite sous CES) o Étape 2 : Antiadhésive  E / KIC² ▲ o Étape 3 : Anti-abrasif  HV ▲ o Étape 4 : Emmagasiner l’énergie thermique  Cp / Cm ▲ o Étape 5 : Dur sous hautes températures  (α * E) / HV ▼ o Étape 6 : Résistance à la compression  Re’ / E ▲ 10
  • 11. 11
  • 12. 2. Le revêtement Critères Matériaux PTFE Vitro céramique Très bonne Carbone vitreux Excellente Coef. Tenue aux hautes T°C Mauvaise Contact alimentaire Résistance à la compression Remis en cause 11,2 - 12,3 Excellente Excellente 5 70 - 200 150 - 300 2 Prix (euro) Résistance à la corrosion Respect de l’environnement 8,42 - 16 15,8 - 47,5 Excellente Excellente Recyclable + impactant 8,56 - 13 Excellente - impactant 1 5 1 Antiadhésif ( γs) Anti-abrasion (dureté HV) Procédé / mise en œuvre Nb de points par couleur 2 556 6,2 Simple 0 17 35,5 Complexe 1 97 67,5 Complexe 2 4 5 5 x Total des points 28 42 51 3 12
  • 13. 3. Le manche • Maximiser la résistance à la flexion : o Objectif : Minimiser la masse o Astreinte : Le matériau doit résister à la flexion encastrée o On utilise l’expression de la flèche due à une flexion encastrée et celle de la masse : Moment quadratique Flèche δ = (F * L3) / (3 * E * I) I = (b * h * h²) / 12 m=ρ*L*h*b δ = (4 * ρ * L4 * F) / (E * m * h²) Idp = ρ / E = (m * h² * δ) / (4 * F * L4) 13
  • 14. 3. Le manche • Liste des étapes pour choisir le matériau du récipient : o Étape 1 : Non inflammable / T°C max d’utilisation (limite sous CES) o Étape 2 : Bon marché et léger  Cp / ρ ▲ o Étape 3 : Isolant 1 / λ ▲ o Étape 4 : Distorsion thermique  λ / α ▼ o Étape 5 : Résistance aux chocs thermiques  Re / (α*E) ▲ o Étape 6 : Résistant à la flexion encastrée  Re / ρ ▲ o Étape 7 : Résistant à la flexion encastrée  ρ / E▼ o Étape n°8 : Isolant  (ρ * Cp) / λ ▲ o Étape n°9 : Énergie pour mouler le polymère  (Emoulage) / Cm ▲ 14
  • 15. 15
  • 16. 3. Le manche Critères Matériaux PCT PET PF Coef. Tenue aux hautes T°C Déformation thermique (10-4m) Bonne Mauvaise Moyenne 4 1,47 0,94 1,41 4 Déformation mécanique (10-4m) 1,95 1,93 1,14 4 Isolant (A en 10-7m²/s) 2,49 2,50 2,16 5 Masse (g) 155 171 184,5 3 Prix (euro) 0,606 0,445 0,488 4 Ténacité Moyen Mauvais Bon 1 Respect de l’environnement Procédé / Mise en oeuvre Nb de points par couleur Total des points + impactant Simple 0 31 - impactant Simple 1 35 ++ impactant 1 Complexe 5 2 37 16
  • 17. Conclusion • Ce que l’on retient de notre projet o De nouvelles notions o La méthode Ashby • Points noirs de notre projet : o Cohérence thermique entre le revêtement et le métal o Mauvaises estimations et approximations… o Minimiser la capacité calorifique et non la maximiser ! 17
  • 18. Conclusion • Un choix des matériaux cohérent avec la réalité? • Récipient : o Inox ferritique o Alliage aluminium 3000 • Revêtement : o Carbone amorphe o Beaucoup de polymères 18