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N° d'ordre : 2902 THÈSE présentée à L'UNIVERSITÉ BORDEAUX I ÉCOLE DOCTORALE DES

N° d'ordre : 2902 THÈSE présentée à L'UNIVERSITÉ BORDEAUX I ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES PHYSIQUES ET DE L’INGÉNIEUR par Germán CASTILLO POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR SPÉCIALITÉ : MÉCANIQUE ********************* CONTRIBUTION MÉTHODOLOGIQUE À LA CONCEPTION DES MULTIMATÉRIAUX : APPLICATION À LA DÉFINITION D’UN MULTIMATÉRIAUX DE BÂTI DE MACHINE OUTIL ********************* Soutenue le 23 Novembre 2004 Après avis de : M.Y. BRÉCHET, Professeur, Institut National Polytechnique de Grenoble M. Y. RÉMOND, Professeur, Université Strasbourg Devant la commission d'examen formée de : M.Y. BRÉCHET, Professeur, Institut National Polytechnique de Grenoble M. J. ETOURNEAU, Professeur, Université Bordeaux I M. R. HARRY, Maître de conférences, Université Bordeaux I M. J.M. QUENISSET, Professeur, Université Bordeaux I M. Y. RÉMOND, Professeur, Université Strasbourg Mme. I. URRUTIBEASCOA, Professeur, Université de Mondragón - 2004 - Ce travail a été réalisé au Laboratoire Génie Mécanique et Matériaux de l’IUT Bordeaux1. Je remercie Michel DANIS, directeur du laboratoire, de m’avoir accueilli au sein de son équipe de recherche. Je tiens à remercier Jean-Michel QUENISSET d’avoir dirigé cette thèse. Ses compétences scientifiques et son encouragement m’ont permis de mener à bien cette étude. Je remercie également Roland HARRY et Hervé WAGNIER d’avoir co-encadré cette thèse. Tous les trois ont été des guides mais surtout des amis. Cette thèse n’aurait pas vu le jour sans leur aide et leur soutien. Monsieur ETOURNEAU a accepté d’être le président de mon jury de thèse, je lui en suis très reconnaissant. J’adresse mes remerciements aux Professeurs Yves BRÉCHET et Yves RÉMOND d’avoir accepté d’être rapporteurs de cette thèse. Je remercie également Mme. URRUTIBEASCOA d’avoir accepté d’être membre du jury. Je remercie à Monsieur MARAÑON de la société DANOBAT pour ses conseils et toutes les informations qu’il a pu me communiquer sur les machines outils. Il m’a accordé toute sa confiance pendant toute la durée de ce travail. Je remercie tous les membres du Laboratoire de Génie Mécanique et Matériaux, particulièrement Corinne ARVIEU, Nicolas CHATELIER, Véronique FAVRE, Stéphane GIACCOBI, , F.X KROMM, Thierry LORRIOT, pour leur soutien et leur aide pendant ces années. Merci à tous mes collègues de l ’École Polytechnique Supérieure de l’Université de Mondragón qui ont supporté tous mes changements d’humeur, et spécialement à l’équipe PRIMA (Dani, Fernando, Gorka, Idoia, Mikel, Modesto). Merci à mes amis Javi et Idoia pour leur soutien psychologique, ils m’ont encouragé pendant tout ce temps et m’ont servi d’exemple. Merci à Jackie de m’avoir souvent offert le gîte, où je me suis senti en famille. Merci à ma sœur Itziar et à mon cousin Koldo pour leur soutien et que j’ai eu un peu abandonnés durant ce travail. Table des matières INTRODUCTION………………………………………………………………….. 4 CHAPITRE 1: EXIGENCES FONCTIONNELLES JUSTIFICATIVES DE LA CONCEPTION D’UN MULTIMATERIAU ………………………………… 6 1.1.- Analyse fonctionnelle d’une rectifieuse ……………………………………………….……... 6 1.1.1.- Cahier des charges fonctionnelles de la rectifieuse ………………….……………….….. 6 1.1.2.- Cahiers des charges fonctionnelles des composants de la rectifieuse ………………… 10 1.2.- De la reconception des principaux organes à leur cahier de charges matériau ………….. 19 1.2.1.- Possibles innovations au niveau de la conception des divers organes de la rectifieuse …. 20 1.2.2.- Cahier des charges matériau des organes les plus intéressants de la rectifieuse ………… 23 1.3.- Justification de la recherche d’un multimatériaux ………………………………………… 27 1.3.1.- Méthode de sélection des matériaux …………………………………………………….. 27 1.3.2.- Application de la méthode aux principaux organes de la rectifieuse…………………….. 29 1.4.- Conclusions…………………………………………………………………………………….. 31 CHAPITRE 2 : DEFINITION DU CAHIER DES CHARGES MULTIMATERIAUX ……………………………………………………………... 35 2.1.- Détermination des valeurs limites de propriétés requises …………………………………. 36 2.1.1.-Modélisation du comportement du bâti ………………………………………………….. 37 2.1.2.- Astreinte de raideur …………………………………………………………………….… 38 2.1.3.- Astreinte de coût …………………………………………………………………………. 39 2.2.- Exigences relatives aux propriétés thermomécaniques ……………………………………. 41 2.2.1.- Conditions d’environnement et de fonctionnement du bâti ……………………………… 41 2.2.2.- Mise en évidence de l’influence des principaux paramètres sur le comportement du bâti . 43 2.2.3.- Définition des intervalles de valeurs permettant de quantifier les indices de performance du comportement thermique …………………………………………………………………….. 45 2.3.- Exigences relatives aux propriétés dynamiques ……………………………………………. 46 2.3.1.- Conditions de sollicitation du bâti ……………………………………………………….. 46 2.3.2.- Influence des paramètres matériaux sur le comportement vibratoire du bâti ………….… 48 2.3.3.- Définition des intervalles de valeurs permettant de quantifier les indices de performance du comportement dynamique ……………………………………………………………………. 49 2.4.- Exigences complémentaires ………………………………………………………………….. 50 2.4.1.- Aspects économiques …………………………………………………………………….. 50 2.4.2.- Interaction avec les environnants du bâti ………………………………………………… 52 2.4.3.- Aspects environnementaux et relatifs aux conditions de travail …………………………. 53 2.5.- Confirmation des incompatibilités au niveau du cahier des charges matériau …………… 54 2.6.- Conclusions ……………………………………………………………………………………. 56 1 CHAPITRE 3 : CONCEPTION D’UN MULTIMATERIAUX…………… 58 3.1.- Application méthodologique de la conception des produits à celle d’un multimatériaux ……………………………………………………………………………….. 58 3.1.1.- Méthodes de conception des produits et méthodes de recherche de solutions ..…… 58 3.1.2.- Proposition d’une démarche méthodique de conception d’un multimatériaux en adaptant des aspects des méthodes existantes pour les produits ………………………….. 68 3.1.3.- Divers modes de combinaison de matériaux ……………………………………… 69 3.1.4.- Influence des conditions de couplage sur le comportement du multimatériaux …… 71 3.2.- Définition du multimatériaux adapté à la réalisation du bâti ………………………. 72 3.2.1.- Recherche de combinaisons de matériaux répondant au cahier des charges du bâti 72 3.2.2.- Validation de la conception du multimatériaux …………………………………… 76 3.2.3.- Etude de variabilité et optimisation des propriétés du multimatériaux choisi ……. 82 3.3.- Evaluation des conditions de mise en œuvre du multimatériaux ……………………. 84 3.3.1.- Procédé d’élaboration envisageable ……………………………………………….. 84 3.3.2.- Estimation des coûts du procédé – Rapport avantages/prix ……………………….. 87 3.3.3.- Evaluation des possibilités de recyclage du multimatériaux ……………………… 88 3.4.- Conclusions………………………………………………………………………….… 89 CHAPITRE 4: MISE EN ŒUVRE ET CARACTERISATION DU MULTIMATÉRIAUX ………………………………………………………. 93 4.1.- Elaboration du béton polymère ……………………………………………………….. 93 4.1.1.- Formulation du béton-polymère …………………………………………………… 93 4.1.1.1.- Sélections des cailloux, de la résine et de la charge ……………………………. 93 4.1.1.2.- Distribution granulométrique ………………………………………………………. 96 4.1.1.3.- Choix des intervalles d’étude des fractions volumiques de cailloux et de liant polymère ………………………………………………………………………………………… 99 4.1.2.- Conditions d’élaboration …………………………………………………………… 100 4.1.2.1.-Réalisation du compound , précaution à prendre pour avoir une bonne répétabilité ………………………………………………………………………………………. 100 4.1.2.2.-Coulée, densification et polymérisation ………………………………………….... 101 4.1.3.- Spécifications finales du béton-polymère et de ses conditions d’élaboration ……... 103 4.2.- Caractérisation du béton-polymère …………………………………………………… 106 4.2.1.- Propriétés physiques ……………………………………………………………… 106 4.2.1.1.- Analyse morphologique, fraction volumique de cailloux et masse volumique . 106 4.2.1.2.- Chaleur massique …………………………………………………………………… 108 4.2.1.3.- Conductivité thermique ……………………………………………………………… 109 4.2.1.4.- Coefficient de dilatation …………………………………………………………… 112 4.2.2.- Propriétés mécaniques quasi statiques à température ambiante …………………… 114 4.2.2.1.- Flexion 4 points ……………………………………………………………………… 114 4.2.2.2.- Tenacité ………………………………………………………………………………. 117 4.2.2.3.- Fluage ………………………………………………………………………………… 120 4.2.3.- Propriétés mécaniques dynamiques. Facteur de pertes ……………………………. 127 4.3.- Conclusions …………………………………………………………………………… 131 2 CHAPITRE 5 : VALIDATION DE LA DEMARCHE DE CONCEPTION D’UN MULTIMATERIAUX …………………………………………………… 134 5.1.- Comparaison entre résultats expérimentaux et prédictions …………………………… 134 5.1.1.- Bilan et discussion au niveau de la stabilité thermique du bâti ……………………… 135 5.1.2.- Bilan et discussion au niveau de la capacité d’amortissement du bâti ………………… 136 5.1.3.- Bilan et discussion au niveau économique et écologique ……………………………… 137 5.2.- Réitération de la démarche de conception. Perspective d’amélioration du multimatériaux du bâti grâce à la combinaison d’un troisième constituant : un renfort fibreux ……………………………………………………………………………………………. 139 5.3.- Généralisation de la démarche …………………………………………………………… 142 5.4.- Conclusions ………………………………………………………………………………… 148 CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES ……………………………………… 150 ANNEXES ………………………………………………………………………. 153 3 INTRODUCTION La croissante compétitivité existante dans un monde chaque fois plus complexe nous amène toujours à faire les choses plus rapidement et avec une plus grande valeur ajoutée. Il ne suffit pas de créer des solutions techniques répondant aux besoins des clients, mais il faut en plus que les solutions soient données avec la vitesse requise par le marché et quelles soient les plus performantes possible. La machine outil n'a pas été exclue de cette demande. En effet, on exige des machines outils une augmentation de productivité et des précisions chaque fois plus sévères. L'utilisation des outils informatiques a permis l'optimisation des structures répondant plus ou moins bien aux besoins du client. Cependant, ces besoins dépassent les capacités de réponse des solutions techniques actuellement utilisées. Des possibilités de solution peuvent être envisagées, en particulier à partir de nouveaux matériaux susceptibles de donner lieu aussi à de nouvelles architectures. Dans cet esprit, dans les dernières années, des méthodologies de sélection des matériaux ont été développées, permettant au concepteur de faire une sélection de matériaux de façon méthodique tout en essayant d’affranchir les inerties psychologiques (propres ou du marché). Or, dans la recherche des nouveaux matériaux répondant mieux au cahier des charges client, on trouve assez souvent des incompatibilités faisant qu'il n'existe pas de solution monolithique adaptée. Pour pallier cette carence, il a fallu concevoir de nouveaux matériaux à partir de ceux existants, donnant lieu à des solutions multimatériaux. Le concepteur se trouve alors avec le problème de l’absence de guides permettant la conception des multimatériaux de façon méthodologique. La solution multimatériaux est obtenue grâce à son intuition et son savoir faire. Pour faciliter ce type d'étude, une guide méthodologique pour le développement des multimatériaux est nécessaire. L’objectif de la thèse est de faire émerger une méthode de conception de multimatériaux, à partir de la reconception d’un composant de machine-outil, dont le cahier uploads/Ingenierie_Lourd/ egthesis-castillo-german-2004-pdf.pdf