Choix des matériaux pour une poêle :
- Définition des différentes parties de la poêle à analyser
- Réalisation du cahier des charges (contraintes en fonction des composants)
- Calcul des indices de performance par la méthode Ashby
- Sélection des matériaux avec le logiciel CES Selector
- Comparaison des matériaux trouvés avec les matériaux utilisés dans l'industrie
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
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
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
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
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