Rôle du matériau

Le matériau est une des manières de réaliser certaines fonctions techniques. En particulier, il intervient dans les fonctions de service de type :

• assurer une fonction principale : conduire la chaleur ou l'électricité ;
• assurer une fonction contrainte : être rigide, être sûr, …
• être compatible avec la santé ;
• résister à l’environnement :
  • résistance mécanique,
  • résistance chimique (corrosion),
  • stabilité thermique.

Il faut aussi prendre en compte :

• le coût de fabrication : coût matière première, usinage, traitement, transport ;
• les délais : délais d'approvisionnement, durée de la fabrication (certains matériaux se travaillent plus facilement que d'autres), possibilité de le remplacer en cas de pénurie (substitutivité) ;
• impact environnemental : dépenses de ressources naturelles, rejet liés à la fabrication, réparabilité, recyclabilité (faciliter à le récupérer, à le réutiliser, à le valoriser).

Dans le cas de la bouteille de boisson, le problème principal est celui de la forme — fonction « verser dans un verre » (FP1) — et de l'étanchéité — « conserver la boisson » (FC3). Les premiers matériaux furent la terre cuite (amphore, cruche), le bois (bambou ou calebasse, la forme de la plante est déjà adapté à l'usage), et le cuir, puis plus tard le verre. On utilise maintenant le plastique qui présente une meilleure résistance mécanique — fonction « résister au transport » (FC5) —, mais on continue à utiliser le verre pour des bouteilles « de prestige » (vin, bière, limonade voulant se donner un caractère « authentique », et caractère recyclable du verre), pour des raisons de conservation (bonification des vins de garde), les fonctions « être esthétique » et « respecter l'environnement » (non listées ici) priment alors sur la solidité (FC5).

On voit également qu'il ne suffit pas de faire une analyse des besoins. En effet, les contraintes de fabrication imposent d'utiliser certains matériaux (fonctions techniques, de contrainte).

Il ne faut pas oublier que ce qui importe, ce sont les propriétés du dispositif. Celles-ci découlent des pièces, qui elles-même découlent des propriétés des matériau, mais aussi de la forme des pièces, de la manière dont elles sont assemblées. Cela rend le choix complexe : le matériau conditionne la forme que l'on peut donner à la pièce, tous les matériaux ne se travaillent de la même manière. Par exemple, pour résister à la flexion, on peut avoir un matériau rigide et dur, ce qui permet d'utiliser peu de matière ; mais on peut aussi utiliser un matériau plus mou mais facilement formable, qui permet d'obtenir des formes complexes qui donnent une grande rigidité à la pièce (cas des profilés d'aluminium).

Stratégie de choix

Cette stratégie présentée est celle développée par M. F. Ashby et D. Cebon de l'Université de Cambridge. La sélection se fait en quatre étapes :

1. Traduction du cahier des charges.
2. Revue des matériaux, sélection en fonction des contraintes.
3. Classement des candidats retenus en fonction des objectifs.
4. Consultation de la documentation sur les matériaux.

Traduction du cahier des charges

Dans la conception de la pièce, on doit donc prendre en compte :

• la fonction de la pièce, comme énoncé précédemment : quel est le rôle de la pièce ?
• les contraintes : dimensions maximales, poids maximum, charge ou température qu'elle doit supporter, … À quelle conditions impératives doit-elle répondre ? À quelle conditions souhaitables, mais négociables, doit-elle répondre ?
• les objectifs : être le plus léger possible, le moins cher possible, le plus sûr possible, … Qu'est-ce qui doit être optimisé (maximisé ou minimisé) ?
• les variables libres : dimensions non imposées, liberté de choix du matériau, du procédé d'obtention, … Quels paramètres le concepteur est-il libre de modifier ?

La première étape est donc de traduire le cahier des charges en termes de fonctions, contraintes, objectifs et variables libres.

Revue des matériaux

Afin de choisir réellement le meilleur matériau, il faut partir de l'ensemble des matériaux disponibles sans a priori. Puis, on élimine les candidats ne répondant pas aux contraintes déterminées ci-avant.

Cela se traduit souvent par des limites sur des caractéristiques chiffrées. Ce point est approfondi dans le chapitre suivant Propriétés générales des matériaux. On peut pour cela s'aider d'une ou plusieurs représentations graphiques, les contraintes étant alors des frontières sur ces graphiques.

Classement des candidats

Parmi les candidats répondant que contraintes, il faut sélectionner le (ou les) meilleur, c'est-à-dire le mieux adapté aux besoins, ceux remplissant le mieux les fonctions. L'idéal est d'utiliser des données chiffrées comme précédemment ; par exemple, la masse volumique ρ si l'on veut le matériau qui flotte le mieux, avoir la conduction thermique λ la plus élevée si l'on veut évacuer la chaleur.

Si plusieurs critères entrent en compte, on ne peut pas se contenter de prendre le matériau qui a la plus grande ou la plus petite caractéristique, il faut souvent faire un compromis. On détermine alors un « indice du matériau » I par une formule du type