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La composition d'un objet technique : les matériaux utilisés

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Objectifs

► Prérequis
• Connaitre les principales familles de matériaux
• Identifier les matériaux d’un objet technique existant
• Savoir parler de quelques propriétés, caractéristiques et de l’impact environnemental de matériaux (aptitude au façonnage, valorisation)
• Connaitre les étapes d’une démarche de projet
• Comprendre la réalisation d’un objet technique et identifier ses différents composants

► Attendu
• Justifier de façon précise le choix de matériaux pour un objet technique dans le cadre d’un projet (propriétés attendues, forme souhaitée, procédé et impact sur l’environnement)

1. SAVOIR

a. Définition

Dans le cadre d’un projet, un objet technique est conçu dans le respect d’un cahier des charges. Cet objet peut comprendre plusieurs pièces et est composé d’un ou de plusieurs matériaux différents. Pour une solution technique retenue, le matériau à choisir doit avoir certaines caractéristiques et être façonné avec une technique adéquate.

b. Explications

Les matériaux sont choisis pour la fabrication d'un objet technique en fonction de plusieurs critères, dont surtout le cahier des charges rédigé pour un projet donné.

Les matériaux sont classés en fonction des contraintes du cahier des charges pour faire le bon choix. Cette méthode spécifique est appelée la hiérarchisation des propriétés.

Les procédés de fabrication doivent de plus être adaptés aux surfaces, formes et aux assemblages à réaliser. Ainsi, les techniques de mise en forme des matériaux ont pour objectif de donner une forme déterminée au matériau tout en lui imposant une certaine géométrie, afin d'obtenir un objet technique qui possède les propriétés souhaitées. Les techniques de mise en forme diffèrent selon les matériaux.

2. SAVOIR-FAIRE

► Être capable de définir simplement une des propriétés des matériaux

Exemple :
La conductivité électrique caractérise un matériau. Elle correspond à la capacité du matériau à permettre le passage du courant électrique. Un matériau est d’autant plus conducteur que sa conductivité est grande.

► Identifier la principale caractéristique d’un matériau

Exemple :
La principale caractéristique du cuivre est sa conductivité électrique élevée par rapport à d’autres matériaux.

Matériaux	Conductivité électrique (unité : m/Ohm × mm²)
Cuivre	58
Or	45
Zinc	16,5
Fer	10
Plomb	4,8

► Mettre en place et interpréter un test pour mettre en évidence une propriété
Dans le cadre d’un projet, un matériau choisi pour une solution technique doit posséder des caractéristiques qui seront identifiées. D’une manière générale, les propriétés des matériaux sont établies avec la réalisation d’essais (appelés aussi tests) adéquats.

Exemple :
Pour réaliser un test de dureté d’un matériau, on peut utiliser un système de poinçon qui, sous la pression de la chute d’une bille, laisse une trace sur le matériau. Plus la trace laissée est importante, plus le matériau a une faible dureté.

► Choisir un matériau de façon précise en fonction des critères d’appréciation et des niveaux de performance définis dans un cahier des charges

Exemple :
Un cahier des charges d’un système de climatisation spécifie que le matériau utilisé pour la tuyauterie doit garantir, à un prix abordable, une bonne efficacité énergétique (rapport entre ce que produit le système et ce qu'il absorbe comme énergie).
Dans notre exemple, les contraintes du cahier des charges sont les suivantes :

Contraintes du cahier des charges	Propriétés recherchées
Prix abordable	Cout et rapport qualité / prix
Bonne conduction du froid (en réalité, de la chaleur)	Conductivité thermique (comportement des matériaux lors du transfert de chaleur)

Parmi les différents choix possibles, nous avons principalement les métaux suivants : nickel, plomb, cuivre, zinc et étain.
Le choix du matériau va donc se faire en les classant les uns par rapport aux autres en fonctions des contraintes définies.

Matériau	Cout abordable	Conductivité thermique
Nickel	++	+++
Plomb	+++++	+
Cuivre	+++	+++++
Zinc	++++	++++
Étain	+	++

Le cuivre sera sélectionné pour répondre au besoin.

► Identifier quelques procédés de mise en forme des matériaux

Exemple :
Pour les métaux, un des principaux procédés est la fonderie qui consiste à fondre puis à couler le métal fondu dans une empreinte définie.

► Analyser l’impact de la transformation et du recyclage de matériaux en terme de développement durable

Exemple :
Les matériaux plastiques sont fabriqués à partir du pétrole. L’extraction, le transport et le raffinage du pétrole ont un impact potentiellement négatif très significatif sur l’environnement.

3. À RETENIR - Glossaire

Matériau : Élément fabriqué à partir de matière première et utilisé pour faire des objets.

Famille de matériaux : Ensemble de matériaux regroupés en fonction de leurs propriétés communes. Par exemple, les métaux représentent une famille de matériaux.

Matériel : Outils et machines qui permettent de mettre en forme des matériaux.

Matière première : Ressource produite par la nature et utilisée pour produire des matériaux.

Matériau composite : Assemblage d’au moins deux matériaux de familles différentes.

Propriété d’un matériau : Grandeur physique qui permet de caractériser un matériau. Par exemple, la conductivité électrique est une propriété des matériaux.

Caractéristique d’un matériau : Grandeur physique qui permet de mettre en évidence l’avantage d'un matériau par rapport à un autre dans le choix de matériaux.

Test : Essai réalisé avec du matériel pour vérifier la ou les propriétés des matériaux.

Hiérarchisation des propriétés de matériaux : Méthodologie qui permet de classer des matériaux en fonction des contraintes spécifiées dans un cahier des charges d’un projet. Il s'agit de bien mettre en évidence les caractéristique spécifiques de certains matériaux par rapport à d'autres et ainsi de choisir les meilleurs matériaux dans le cadre du projet.

Façonnage : Opération ou ensemble d’opérations (découpage, pliage, perçage, etc.) qui permettent d’obtenir la forme définitive d’un objet technique à partir d’un matériau. Il existe trois types de façonnages :

Le façonnage par enlèvement de matière : de la matière est retirée à l’aide d’un outil tranchant (exemples : scier, percer, fraiser, etc.).
Le façonnage sans enlèvement de matière : cela correspond à donner une forme à un matériau par déformation. Pour réaliser cette déformation, les matériaux doivent être relativement malléables sous l’action de la chaleur, d’une pression ou encore de l’humidité.
Le façonnage par arrangement de matière : le matériau est ajusté de façon à lui donner des propriétés physiques particulières, souvent pour le rendre souple ou solide (exemples : tissu, câble, etc.).

Assemblage : Opération qui permet de lier deux pièces entre elles.

Mise en forme des matériaux : Ensemble des techniques de façonnage d’une pièce.

Procédé : Méthode mise en œuvre pour réaliser une opération de façonnage ou d’assemblage d'un objet technique.

Développement durable : Forme de développement social, économique, écologique et technique qui permet d'améliorer nos conditions de vie du présent tout en préservant des ressources pour les générations futures.

Recyclage : Transformation du matériau d'un objet technique en une nouvelle matière première, qui servira à fabriquer d'autres matériaux.

Valorisation : Action de redonner de la valeur aux déchets en les détruisant (production d'électricité et de chaleur), en les réutilisant ou en les recyclant.