EMILIE DE RODAT
TECHNOLOGIE
Séquence 6 : MSOST-2 La modélisation, simulation et prototypage des objets techniques
Chapitre 1: Modélisation, choix des formes d'une pièce et choix de matériaux
Pour décrire un objet technique on utilise des croquis, des schémas, des plans (le dessin technique) avec des nomenclatures et des modèles CAO en 3 dimensions.
CAO veut dire Conception Assistée par Ordinateur. Avec un logiciel CAO (comme FreeCAD par exemple) on peut créer des pièces volumiques, dans le domaine de l’architecture, du naval, des pièces robotiques, des voitures, des avions…
Pour toutes les pièces d'un (futur) objet technique il faut définir la forme (en utilisant un logiciel CAO) et également les matériaux. Le choix du bon matériau dépend des propriétés imposées de la pièce (thermique, robustesse etc.), du prix, son aptitude au façonnage et de l'impact sur l'environnement.
Il y a trois familles de matériaux:
Les matériaux métalliques sont élaborés à partir de minerais, plutôt résistant comme les alliages d’acier et d’aluminium, le bronze et le laiton. Les métaux "purs" sont souvent plus souples comme le cuivre, l’étain, le zinc, l’or et l’argent.
Les matériaux céramiques sont d’origine minérale, plutôt résistant comme la terre cuite, le verre, le béton, mais ces matériaux résistent plutôt mal à la flexion et se brisent facilement s’ils subissent des impacts concentrés dans un point.
Les matériaux organiques sont d’origine végétale ou animale, issus d’êtres vivants ou fossiles, naturels (le bois, la laine, le cuir, le coton) ou artificiels (le plastique). Ces matériaux sont parfois résistants (bois) mais parfois souples (cuir).
Chaque matériau possède des propriétés, ces caractéristiques, elles sont étudiées à l’aide de tests, entre autres:
L’adhérence est le fait de collage entre deux surfaces, sous l'action des forces d'attraction entre elles.
La dureté est la résistance qu'oppose une surface à la pénétration d'un poinçon.
La masse volumique (ou densité) est une grandeur physique qui caractérise la masse de cette matière par unité de volume.
La conductivité thermique / électrique caractérise l'aptitude d'un matériau de permettre le passage d'un courant thermique / électrique.
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Chapitre 2: Simulation cinématique, dynamique, de déformation
Un assemblage des différentes pièces dans un modèle CAO peut servir à faire une simulation cinématique (comment bougent les pièces entre elles) ou une simulation dynamique (quels seront les efforts entre les pièces pendant le mouvement).
La simulation de la déformation d’une pièce ou assemblage qui subit des efforts permet de visionner les points faibles de la pièce ou de l’assemblage à consolider avant les test qui sont onéreux.
Pour consolider une pièce on peut agir sur le choix des matériaux et sur la forme de la pièce. C’est le domaine d’études qui s’intitule RDM (Résistance Des Matériaux).
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Les sollicitations simples sur une pièce sont :
La traction : Deux forces de même direction mais de sens opposés allant vers l’extérieur de la pièce, Déformation : allongement
La compression : Deux forces de même direction mais de sens opposés allant vers l’intérieur de la pièce, Déformation : raccourcissement
La torsion : Le fait de vriller une pièce, comme lorsque l’on essore une serpillière, Déformation : rotation
Le cisaillement : Deux forces sens opposés allant vers l’intérieur de la pièce. Les deux points d’application des forces sont sur deux axes différents, Déformation : glissement
La flexion : La longueur de la partie supérieure de la pièce tend à s’allonger, elle est en traction. La partie inférieure de la pièce tend à se réduire, elle est en compression. Déformation : courbure
Exemples de sollicitations simples :
Pour calculer si une tige résiste en traction on utilise les formules suivantes :
F limite = Re x S
La tension "σ" dans la tige en MPa (N/mm²)
L’effort "F" ou "F limite" en Newton
La surface de la tige "S" (perpendiculaire à la longueur) en mm²
La limite d’élasticité "Re" en MPa (N/mm²)
test de traction
Pour le calcul de ces sollicitations et d’autres cas plus complexes (sollicitations composées) on peut utiliser un logiciel de simulation pour simuler les tensions internes ou les déformations maximales dans une pièce.
Les tensions internes dans une pièce ne doivent en aucun cas dépasser les tensions limites imposées pour un matériau donné et les déformations maximales ne doivent pas gêner le bon fonctionnement de l’objet dans son ensemble.
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déformations dans une règle en flexion pure (Simulation FreeCAD)
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tension internes dans une règle en flexion pure (Simulation FreeCAD)
Chapitre 3: Prototypage rapide de pièces en utilisant une imprimante 3D
Pour la création et la validation d’un prototype on a besoin :
Du façonnage (usinage, formage, soudage, imprimante 3D)
Des instruments de mesure (par exemple un pied à coulisse)
Montage et tests
Une fois les tests validés, on peut commencer la fabrication en série.
Comment imprimer une pièce en 3D ?
Est-ce que la pièce est orientée de façon optimale (penser en coupes horizontales) ?
Est-ce qu’il faut des supports ?
Est-ce que le taux de remplissage de la pièce permet une résistance convenable ?
Combien de temps et de fil va prendre la pièce à imprimer ?
Est-ce qu’on respecte les dimensions et leurs tolérances ?
