Propriétés des matières métalliques et plastiques

La fonctionnalité d’une pièce dépend en grande partie de facteurs évidents tels que sa forme, sa dimension, l’épaisseur de ses parois, l’emplacement des points d’assemblage, etc. Moins évidentes, mais tout aussi importantes seront les caractéristiques de la matière dans laquelle elle est moulée, usinée ou imprimée en 3D.

La conception s’effectue à macro-échelle ; les propriétés de la matière sont généralement définies à l’échelle moléculaire. Plus vous réfléchissez tôt aux matières et à leurs propriétés dans le processus de conception, plus votre composant sera efficace et économique. Ce conseil est destiné à vous aider avec cette évaluation préalable. Il offre une vue d’ensemble des quatre catégories générales de propriétés des matières (métaux et plastiques), certaines considérations importantes dont il faut tenir compte lorsque vous choisissez votre matière pour votre futur composant, et certains aspects de la conception souvent ignorés.

Un filtre à air de moto est un bon exemple de composant qui doit trouver un compromis entre différentes propriétés de la matière, notamment résistance thermique, mécanique et flexibilité.

Pourquoi le choix de matière est important

Le choix de matière, qu’elle soit métallique ou plastique, peut être simple, presque secondaire, ou bien complexe et essentiel pour les performances du composant. Imaginons que vous désiriez créer un boîtier pour un appareil destiné à être utilisé en intérieur. Une grande partie de ces boîtiers plastiques ne sont pas soumis à des contraintes thermiques ou électriques, n’ont pas d’exigences mécaniques extrêmes, et peuvent donc fonctionner dans des environnements relativement bénins comme votre foyer. La majorité de ces pièces peuvent être fabriquées en ABS, polycarbonate (PC), ou un mélange des deux.

Maintenant, imaginons un boîtier pour un filtre à air de moto. Il devra être ouvert et fermé régulièrement pour remplacer le filtre. Pour assurer cette fonction, il devra présenter une charnière ou un clip de fixation intégré. Il devra résister aux chocs de débris volants, à la chaleur du moteur, au rayonnement UV du soleil, à l’humidité de sources différentes, et aux agressions chimiques du carburant ou des produits de nettoyage. Identifier la bonne matière pour cette application va sans doute demander des recherches et un prototypage itératif.

Les composants d’un smartphone peuvent présenter un défi encore plus important. Leurs fonctions peuvent être à la fois la dissipation de la chaleur et la protection contre celle-ci, l’isolation électrique, le passage sélectif et le blocage des signaux sans fils. Quant au boîtier, il faudra qu’il assure une protection contre des chutes répétées. Chaque composant de cette pièce compliquée a des spécifications très précises, qui demandent donc des propriétés spécifiques de matière. En conséquence, le choix de la matière va jouer un grand rôle.

Un bon choix de matière commence avec une bonne compréhension des fonctionnalités de l’appareil ou de l’assemblage complet. Ensuite vous devez identifier le rôle de chaque pièce dans le fonctionnement d’ensemble. Lorsque les aspects sont multiples, vous devrez définir des priorités, en séparant ce qui est « indispensable », de ce qui serait « accessoire ». Par exemple, la finition esthétique qui est « indispensable » dans un appareil mobile, peut être une considération secondaire lorsque la résistance d’une matière chargée fibre de verre est nécessaire pour répondre aux spécifications. La liste des propriétés à prendre en compte est longue, mais correspondra en général à l’une de ces quatre catégories : mécanique, physique, thermique et électrique.

Propriétés des matières

Mécaniques
Les propriétés mécaniques sont celles qui sont sollicitées par l’application de différentes forces. Elles comprennent des caractéristiques comme la résistance en tension ou compression, la flexibilité et la dureté.

Pour les plastiques. Les propriétés mécaniques des plastiques varient fortement, depuis la flexibilité du polypropylène pour une charnière, jusqu’à la rigidité du nylon chargé fibres de verre.

Pour les métaux. Par contraste, les métaux sont relativement rigides. Les différentes nuances d’acier seront plus rigides par exemple que l’aluminium.

Propriétés Physiques
Les propriétés physiques sont l’aspect esthétique d’une matière ainsi que sa réponse aux produits chimiques ou au rayonnement. Elles comprennent la densité et la résistance à la corrosion chimique et à la dégradation par les UV. Elles peuvent aussi être des caractéristiques esthétiques comme la couleur et la texture.

Pour les plastiques. Les propriétés physiques des plastiques varient fortement. Les uréthanes, par exemple, peuvent être un mauvais choix pour la plupart des environnements, tandis que les plastiques imprimés en 3D par stéréolithographie vont se fragiliser s’ils sont exposés aux UV.

Pour les métaux. Les métaux peuvent résister à des températures supérieures à celles de nombreux plastiques, et un « superalliage » de nickel et de chrome, comme l’Inconel, peut tolérer des températures atteignant 700 °C, celles de composants de moteurs à réaction. Lorsque les fonctions sont moins exigeantes, l’aluminium peut être une matière idéale pour un radiateur, contrairement à l’acier inoxydable.

Propriétés Thermiques
Les propriétés thermiques sont celles qui vont régir la réponse de la matière à la température. Est-elle susceptible de perdre en résistance et de se déformer à la chaleur, ou de se fragiliser lorsqu’il fait froid ? Est-ce que la matière conduit la chaleur, ou constitue un isolant ? Les températures auxquelles est soumis le composant peuvent être celles de l’environnement, ou encore celles générées par l’assemblage dans lequel il s’insère.

Pour les plastiques. La réponse thermique peut être un aspect important dans le choix des plastiques. Alors que le silicone est idéal pour des moules allant au four, de nombreux plastiques peuvent être endommagés par la chaleur régnant dans un véhicule fermé une journée d’été.

Pour les métaux. Les métaux peuvent résister à des températures supérieures à celles de nombreux plastiques, et un « superalliage » de nickel et de chrome, comme l’Inconel, peut tolérer des températures atteignant 700 °C, celles de composants de moteurs à réaction. Lorsque les fonctions sont moins exigeantes, l’aluminium peut être une matière idéale pour un radiateur, contrairement à l’acier inoxydable.

Propriétés Électriques
Les propriétés électriques sont la conductivité, la résistance et l’inductance.

Pour les plastiques. Les propriétés électriques des plastiques varient fortement. Elles peuvent être essentielles dans les appareils compacts comme les smartphones, dans lesquels les courants et signaux doivent être isolés pour prévenir la distorsion, ou dans les appareils médicaux qui utilisent des intensités ou champs magnétiques importants pour les diagnostics et traitements.

Pour les métaux. De même, la conductivité varie largement en fonction des métaux. Le cuivre est généralement le premier choix pour la conductivité, mais l’aluminium peut garantir également une bonne conductivité en réduisant les coûts et en améliorant la résistance à la corrosion si cette conductivité n’est pas essentielle.

Considérations souvent négligées sur les matières

De nombreux concepteurs se cantonnent à quelques matières, à moins qu’elles ne présentent des défauts évidents. C’est parfait si la matière répond aux besoins et si le prix est correct. Mais dans certains cas, vous pouvez négliger des bénéfices qui se seraient révélés après quelques recherches. Ou vous pouvez découvrir des problèmes dans un prototype, alors qu’ils auraient pu être évités par une recherche de propriétés. Cela ralentit votre processus de développement. Ou bien vous pourriez répondre aux exigences à un prix moins élevé, ce qui peut réellement faire la différence pour des grandes séries. Voici quelques exemples :

• Vous pouvez penser que la chaleur ou les UV peuvent ne pas avoir d’importance pour un produit conçu pour une utilisation intérieure. Mais que se passe-t-il s’il reste au soleil ou dans un véhicule fermé ?
• Avez-vous imaginé toutes les formes d’exposition chimique ? Vos mentions en petits caractères peuvent avertir d’éviter certains produits chimiques, mais une matière plus résistante peut éviter le mécontentement des utilisateurs.
• Avez-vous tenu compte de toutes les conditions de terrain ? Un composant automobile peut être protégé contre les UV sous le capot, mais devra être capable d’emmagasiner de la chaleur, tandis que le même composant sur une moto sera soumis exactement aux conditions opposées.
• Comment le composant vieillira-t-il ? Est-il jetable ? Remplaçable ? Permanent ?
• La densité est-elle importante ? Certaines pièces mobiles peuvent tirer avantage de la légèreté, tandis que d’autres auront besoin d’un certain poids pour fonctionner correctement.
• La dimension et la résistance peuvent être interchangeables. Une pièce plus fine faite d’une matière plus résistante permet d’économiser de l’espace. L’utilisation de moins de matière peut contribuer à un coût plus élevé par unité de volume.
• Les finitions ne sont pas seulement une question d’esthétique. Des caractéristiques comme la texture peuvent être essentielles pour l’ergonomie.
• Une bonne matière peut aider à résoudre des problèmes de conception. Par exemple, des clips à ressort ou des charnières intégrées peuvent éliminer le besoin de connecteurs.
• La chaleur peut poser des problèmes à de nombreux produits. Un radiateur bien conçu, dans le bon métal ou plastique, peut évacuer efficacement la chaleur des zones critiques.

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