Master Mention Sciences et génie des matériaux

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This unit is designed to provide the student with a basic knowledge of ceramic materials and glasses. Ceramics are by far the most abundant man-made materials. The objective is to provide a general overview of this third major class of solid materials (the first two being metals and polymers), from their development to their use. The physical characterisation and properties of these materials are recalled as well as the specific elaboration techniques such as sintering. The behaviour of technical ceramics for thermomechanical use is discussed, with particular emphasis on their fracture behaviour and the Weilbull statistical model for predicting fatigue and creep life at high temperatures.

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Lab work. This course is an application of the classes followed in material elaboration and more specifically in polymer chemistry. The synthesis and characterization of different polymers will be performed and linked to the theoretical knowledge.

This practical class is divided in 4 experiments of 8 hrs and and Final individual practical exam. The experiments are:

• Reactivity ratio in radical copolymerization
• Controlled radical polymerization
• Emulsion Polymerization
• Thermosenstive polymers

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Préparation à la certification en anglais, Test of English for International Communication (TOEIC).

Le TOEIC mesure les compétences de compréhension écrite et orale pour les niveaux débutant à avancé et détermine si une personne peut communiquer en anglais efficacement et avec aisance dans un contexte professionnel.

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Course description :  Sur la base d’une recherche bibliographique, les étudiants, en groupe de 3, doivent : 1) construire et structurer des savoirs sur un sujet précis prédéfini ; 2) les présenter dans un rapport écrit ; 3) les présenter à l’oral devant la classe et répondre aux questions de l’assemblée.

Course structure : le cours est structuré autour de 3 thématiques :

1. Les réseaux de macromolécules enchevêtrées

2. Les réseaux de macromolécules réticulées

3. Les gels

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This lecture is a general introduction to polymers. It gives at first a brief overview of the history of the discovery of polymers as well as of the fundamental physical chemistry knowledge (chemical structure and material cohesion). The lecture is illustrated with several examples. The main definitions are presented, as well as a classification of polymers according to various aspects: their structure, reaction with the environment, stereoregularity, molar mass, and various characteristic quantities. Some elements about natural polymers are also presented.

In a second part, the context and issues related to recycling are introduced through various types of activities (lecture, jigsaw classroom, case studies) in particular :  order of magnitudes of volumes of polymer produced; the corresponding volumes of waste; of recycled polymers; possible evolutions in time. The organization of the recycling value chain and the main recycling techniques are presented prior to discuss the recycling difficulties at each stage of the value chain and the possible ways to circumvent them.

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Les notions fondamentales concernant la physico-chimie des polymères sont incontournables pour appréhender les propriétés de ces matériaux pour de nombreuses applications : matières plastiques, matériaux composites, adhésifs, revêtements… Ainsi, cet enseignement se focalise sur une description multi-échelle des polymères et des matériaux polymères, de l'échelle atomique à l'échelle macroscopique, en montrant l'impact sur les propriétés finales. (i) Chaines désordonnées (chaine idéale - rayon de giration). (ii) Chaines à conformation régulière (stéréorégularité et cristallinité). (iii) Morphologies des systèmes macromoléculaires (mélanges, copolymères à blocs, polymères orientés).

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Ce cours concerne des notions de physique avancée pour la compréhension du comportement des matériaux polymères et notamment de leur changement de phase.

Ce cours est dispensé sous un format classique de cours / TD

Une étude de documents fournis en groupe, couplée à une recherche bibliographique permettra un travail au préalable et l’introduction des grandes notions.

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Thématiques : Organigramme, Planification, Coûtenance, Risques dans le cadre des projets industriels.
Format d’enseignement : cours / TD / utilisation d’un logiciel de planification (type MSProject, ProjectLibre…).

Présentation des choix de protection différents selon la stratégie de l’entreprise (savoir-faire secret, propriété intellectuelle …).

Les règles spécifiques au brevet (qu’est-ce qu’un brevet ? que peut-on breveter ? conditions de la brevetabilité ?).

Les inventions de salariés.

Un exemple de brevet sera présenté de manière à comprendre comment est rédigé un brevet.

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Course description :  Le cours a pour objectif de comprendre les liens en le comportement en écoulement d’un fluide complexe et les mesures rhéologiques afin de mettre en place des signatures rhéologiques de fluides et d’interpréter les courbes rhéologiques.  

Course structure : le cours sera constitué de 4 chapitres :

1. Les lois de comportement

2. Les mesures rhéologiques

3. La typologie des fluides

4. Les courbes d’écoulement

Ce cours sera accompagné de séance de travaux dirigés (TD) et de séances de travaux pratiques (TP) afin de d’assimiler les notions développées dans le cours et manipuler différents fluides complexes.

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Le principal objectif de cet enseignement consiste à l’acquisition des notions essentielles de la mécanique des liquides newtoniens. L’ensemble des notions étudiés sont appliqué à l’étude d’écoulements élémentaires de complexité variable.

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Les étudiants vont découvrir les matériaux composites à matrice polymère.

L’objectif de ces cours et TD est de leur donner tous les éléments pour leur permettre d’identifier ces matériaux et faire des choix pour répondre à une application spécifique (environnement, sollicitations mécanique, thermiques, secteur industriel, procédés de fabrication, cadences de production).

Les 9 heures de l’UE sont organisées en 4,5 heures de cours illustrés par des exemples de constituants des composites, de pièces, de procédés, … et 4,5 de travaux dirigés avec de la mise en application des éléments vus durant le cours.

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During this course, master students will acquire basic knowledge on composites, their composition, architecture, main properties and main use. In a second part, we will establish the mixing laws used to describe the mechanical behaviour of filled polymers and unidirectional composites. Particular emphasis will be put on simplifying assumptions that limit the use of these models.

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The observation of materials structure – from the nanometric to the micrometric scale – is essential for a better understanding of the physical properties (property/structure relationship) as well as for the development of new efficient materials. The objective of this cours is to introduce the structural characterization instrumentation typically used in research labs as well as on large instruments. The complementarity aspect of scattering and microscopy methods will be introduction at the beginning of the course. The course will address the production of X-ray and neutron radiation, interaction with matter, diffraction by crystals, then small-angle scattering for the investigation of polymer materials.

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The lectures will contain an introduction to Materials: Ceramics, materials, polymers and composites, including some general knowledge, a description of elaboration methods, their (micro)structure, their properties, and some examples of applications.

The students will use the concepts introduced in this course to perform a literature survey and write a bibliographic report about a material of their choice.

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This course introduces X-Ray diffraction as a method for the determination of crystal structures. Through lectures and tutorials, it covers Bragg’s Law, the use of the reciprocal space and the structure factor to interpret XRD patterns. A short presentation of experimental set-ups is also included.

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Based on Lectures and tutorials face-to-face.

Thermodynamics is known to characterize a system macroscopically in terms of energy (and entropy). However, the microscopic nature of any system (known from quantum mechanics) imposes us to link the macroscopic view to the microscopic properties of the particles (atoms, molecules…) composing the system. The lectures and the tutorials will give tools using statistics to describe the state of a system, will focus on the different energy levels of atoms and molecules and how to use them, and will extend the description of the thermodynamic functions. Applications will be performed on simple chemical reactions. 9 hours of lectures and 7.5 hours of tutorials are dedicated to this course.

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The <Eco design> course is developed to introduce eco-friendly design and Life cycle assessment (LCA) with a focus on materials. It presents through lectures, media, the use of software, case study, class discussion, and group presentations.

The lecture section (CM) comprises 3 modules. The first module is on the concept of eco-design with introductions to sustainable development, circular economy, and a few Environmental Standards. The second module is on the indicators and impacts of processes or products on ecosystems, from views of energy, resource, air, water, soil, and human health. Various parameters (e.g., global warming potential, acidification potential) to measure the impact on the ecosystem are introduced. Some concepts like embodied energy, carbon cycle, and water footprint are also discussed. The third module is on the purpose, principles, and methodology of LCA.

The practice section (TD) contains 3 types of exercises : (i) Class discussion on case studies (e.g., the eco-friendly attributes of products made by different materials) ; (ii) Assignment on LCA to compare two types of plastic bottles using OpenLCA software, based on the understanding the OpenLCA software in terms of the database and approaches ; (iii) Group presentations on topic <Materials and Sustainable Development Goals>.

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The <Ecodesign Project> course is project-oriented aiming to strengthen the capacity of students to perform eco-design of materials. Bearing the knowledge acquired from the <Eco design> course, students will have paperwork in groups on the eco-design of a daily-used product (including but not limited to the yoga mat, cellphone protection case, fast food container, helmet, etc.) The function of the product, as well as the life cycle of the product (e.g., source material, manufacturing, disposable) needs to be assessed and evaluated via the use of the software.

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The observation of materials structure – from the nanometric to the micrometric scale – is essential for a better understanding of the physical properties (property/structure relationship) as well as for the development of new efficient materials. The objective of this cours is to introduce the structural characterization instrumentation typically used in research labs as well as on large instruments. The complementarity aspect of scattering and microscopy methods will be introduction at the beginning of the course. The course will address the production of X-ray and neutron radiation, interaction with matter, diffraction by crystals, then small-angle scattering for the investigation of polymer materials.

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Green Chemistry is the design of chemical products and processes that reduce or eliminate the use and generation of hazardous substances. In this, the course’s goal is to provide basic knowledge about the principles of green chemistry, with a basis in the molecular and materials chemistry, and examines alternative chemistry solutions to support a sustainable development. The level of understanding should be such that the students in their professional career critically can participate in discussions regarding selection and design of chemical methods (i.e., reactions, processes) for enlarged sustainability in industrial production of chemicals, materials and fuels, and to avoid environmental stress caused by pollution and energy-related problems. Students acquire the competence to think of chemistry as a sustainable activity. Basic knowledge in catalysis and organic chemistry is beneficial but not necessary. The course content will include a series of lectures using Power Point slides, case studies, exercises and in-class oral presentations by the students. Students should keep up with assigned reading and ask questions in class or by email.

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Green Chemistry is the design of chemical products and processes that reduce or eliminate the use and generation of hazardous substances. In this, the course’s goal is to provide basic knowledge about the principles of green chemistry, with a basis in the molecular and materials chemistry, and examines alternative chemistry solutions to support a sustainable development. The level of understanding should be such that the students in their professional career critically can participate in discussions regarding selection and design of chemical methods (i.e., reactions, processes) for enlarged sustainability in industrial production of chemicals, materials and fuels, and to avoid environmental stress caused by pollution and energy-related problems. Students acquire the competence to think of chemistry as a sustainable activity. Basic knowledge in catalysis and organic chemistry is beneficial but not necessary. The course content will include a series of lectures using Power Point slides, case studies, exercises, in-class oral presentations by the students and a mini-project. Students should keep up with assigned reading and ask questions in-class or by email.

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Travail d’Etude et de Recherche (TER) encadré par un chercheur.

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Stage de 7 semaines minimum dans un laboratoire de recherche ou milieu industriel

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Préparation à la certification en anglais, Test of English for International Communication (TOEIC).

Le TOEIC mesure les compétences de compréhension écrite et orale pour les niveaux débutant à avancé et détermine si une personne peut communiquer en anglais efficacement et avec aisance dans un contexte professionnel.

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Ce cours vise à acquérir des notions de base indispensables (i) pour l’analyse de données expérimentales afin d’extraire les informations pertinentes (représentations graphiques, analyse de données à grande échelle, etc.) et aussi (ii) pour la modélisation afin de résoudre numériquement un problème physique. Le langage de programmation utilisé dans cette UE est Scilab© ; des rappels succincts sur la réalisation d’algorithme ainsi que sur le language Scilab© sont réalisés au début du cours. Les TP permettent une mise en pratique des notions vues en cours avec des exercices classiques de calcul numérique ainsi que des exercices appliqués aux matériaux.

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La première partie de l’enseignement consiste en l’apprentissage des règles de représentation du dessin technique. A la fin de cette courte période, l’étudiant est en mesure de lire les plans techniques fournis dans la deuxième partie de l’EC. Le second temps de l’enseignement est entièrement consacré à l’outil numérique de C.A.O. Cet enseignement s’appuie principalement sur des séances de travaux pratiques. Une progression sur la difficulté des sujets proposés permet à l’étudiant une appropriation graduelle du logiciel de C.A.O. L’objectif de chaque séance est la restitution d’un ou plusieurs objets 3D à partir de leurs plans 2D.

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The aim is to understand the metallurgical phenomena that occur during equilibrium or non-equilibrium phase transformations of steels and aluminum alloys, which induce consequences on their mechanical properties. Teaching takes place in the form of lectures and tutorials. The evaluation is formalized by a final exam.

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This unit is designed to provide the student with a basic knowledge of ceramic materials and glasses. Ceramics are by far the most abundant man-made materials. The objective is to provide a general overview of this third major class of solid materials (the first two being metals and polymers), from their development to their use. The physical characterisation and properties of these materials are recalled as well as the specific elaboration techniques such as sintering. The behaviour of technical ceramics for thermomechanical use is discussed, with particular emphasis on their fracture behaviour and the Weilbull statistical model for predicting fatigue and creep life at high temperatures.

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Nous décrirons la démarche générale visant à établir les relations entre l’architecture des composites et les propriétés mécaniques résultantes notamment pour des stratifiés formés par empilement de plis unidirectionnels (plaques et coques). Le cas d’empilement essentiellement symétriques et/ou équilibrés, pour lesquels les calculs sont possibles « à la main » seront traités. La programmation sous Scilab produite en travail de groupe sera utilisée pour étudier des propriétés particulières (exemples : influence des symétries sur les couplages membrane/flexion torsion ; paramètres pertinents pour piloter les propriétés en membrane, etc).

Organisé sous forme cours + travaux dirigés + travaux de groupe.

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Cette UE consiste en la présentation du concept de contrôle (évaluation) non destructif(ve) et des modalités de mise en œuvre associées : concepts/limites physiques-normalisation-qualification des contrôleurs-performance de détection-contexte d’application de chaque méthode. Ces éléments sont présentés principalement dans le contexte des matériaux métalliques en particulier appliqués au domaine aéronautique. Les différentes méthodes et leurs domaines d’application sont présentés sous forme de modules de cours, associés en alternance à des séances de travaux dirigés permettant des mises en situation appliquées et concrètes (réflexion sur pièces réelles, problématiques d’inspection rencontrées en atelier, …)

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In the first part of the semester, this teaching unit will introduce the students to microscopy techniques through a series of lectures. In the second part, the students will use Atomic Force Microscopy to analyse a sample in a short project.

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Cet UE sera effectué par 2 enseignants qui permettront une vision plus globale de la corrosion avec deux approches complémentaires.

Les principaux types de corrosion (la corrosion générale, les piqûres, etc…) seront décrites de manière générale pour les milieux secs et humides.

Les conditions de protection seront abordées avec une attention particulière à la protection contre la corrosion au moyen de revêtements tels que la galvanisation et l'anodisation.

La prévision de ces phénomènes d’oxydation sera effectuée par l’étude des diagrammes E = f (pH) et de la cinétique électrochimique associée.

Enfin, les principaux essais de corrosion accélérée utilisés dans l'industrie, tels que les essais au brouillard salin et les essais climatiques, seront décrits.

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The <Materials and HQE> course focuses on the understanding of high-quality environmental standard (HQE) and their implementation in the field of materials. It will be delivered via a variety of lectures, guest talks, media, case studies, class discussions, group projects, and video filming/sharing to interact with the society.

The lecture section (CM) comprises 4 modules. The first module is on the implementation of HQE and sustainable development in the discipline of materials. The second module is for the understanding of environmental impacts and their characterization methods. The third module delivers some information on environmental issues with examples (e.g., water pollution, greenhouse effect, human health hazards). The fourth module is on green buildings in terms of materials, design, features, and standards.

The practice section (TD) contains 2 types of exercises : (i) Class exercise/quiz; (ii) Group project on topic <New Building Materials versus Concrete>, for which their presentation will be filmed and shared on social media for knowledge exchange with the general public.

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Develop the physico-chemistry of macromolecular solutions through typical methods for characterizing macromolecular dimensions (Viscosimetry, Light Scattering, Size Exclusion Chromatography).

1. Introduction
   1. Reminders and definitions
   2. Conformations and thermodynamics
2. Number-average molar mass: Mn
   1. End-group analysis
   2. Osmometry
3. Viscosimetric-average molar mass: Mv
4. Weight-average molar mass: Mw
   1. Light scattering
   2. Definition (Rayleigh/Mie)
   3. Principle
   4. Static Light scattering (SLS)
   5. Dynamic light scattring (DLS)
   6. Combination SLS/DLS
5.  Size Exclusion Chromatrography (SEC)
   1. Principle
   2. Mn et Mw and Ð determination

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EC Résonance Magnétique Nucléaire

Principe de la résonance magnétique nucléaire, descriptif d’un appareillage.

Aspects phénoménologiques du déplacement chimique et des couplages spin-spin pour interpréter un spectre monodimensionnel. Potentialités de la RMN à deux dimensions.

Interprétation de spectres de molécules organiques et polymères en solution

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1. Introduction : Objectifs et intérêts des méthodes séparatives, classifications et comparaisons des différentes méthodes chromatographiques, domaines d'applications
2. Théorie des séparations chromatographiques : propriétés des grandeurs de rétention et de séparation, efficacité et modèle des plateaux théoriques, détermination des conditions optimales.
3. Principaux mécanismes d'échange en chromatographie en phase liquide appliqués à l’analyse des matériaux : analyse des métaux, analyse des macromolécules, analyse des additifs des matières plastiques

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L’objectif de cette UE est d’une part la maîtrise des bases élémentaires de la thermodynamique des surfaces et d’autre part la bonne connaissance des différentes familles d’adhésifs. Nous abordons la thermodynamique des surfaces par les notions de mouillage et d’énergie de surface. Une description des adhésifs à mise en œuvre chimique ou physique et des auto-adhésifs est proposée avec des exemples d’applications dédiées. La formulation des adhésifs est exposée par la description des composants d’un auto-adhésif, leur mise en œuvre pour des applications prises comme exemples modèles, les règles scientifiques et empiriques de formulations (gestion de la viscosité, de l’élasticité, de la cristallinité, de la transition vitreuse, …), la mesure/prédiction des propriétés d’adhérence et enfin les règles générales qui dominent aux choix des adhésifs. La mesure des propriétés d’adhésion sera exposée par les différentes techniques existantes.

The objective of this course is on the one hand to master the elementary basics of surface thermodynamics and on the other hand to have a good knowledge of the different families of adhesives. We approach the thermodynamics of surfaces through the notions of wetting and surface energy. A description of chemical or physical adhesives as well as pressure sensitive adhesives is proposed with examples of dedicated applications. The formulation of adhesives is presented by describing the components of a pressure sensitive adhesive, their implementation for applications taken as model examples, the scientific and empirical rules of formulation (management of viscosity, elasticity, crystallinity, glass transition, ...), the measurement/prediction of adhesion properties and finally the general rules that dominate the choice of adhesives. The measurement of adhesion properties will be presented by the different existing techniques.

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L’objectif est d’introduire aux étudiants la base générale de la formulation des matériaux en caoutchouc et le traitement du caoutchouc (mélange et vulcanisation). Après une introduction sur les élastomères et les ingrédients utilisés dans la formulation du caoutchouc, nous verrons comment les sélectionner afin de réaliser la formulation adéquate. Ensuite, nous développons également la base sur le mélange de caoutchouc et la transformation du caoutchouc (injection, extrusion, …) afin d’obtenir des pièces en caoutchouc qui respectent un cahier des charges pour une application industrielles visées. 

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Natural polymers are playing a key role in the frame for bioeconomy. They could replace fossil-based polymers and make a positive contribution to the mitigation of climate change and the sustainable use of natural resources. This will require a better understanding of how the structure and functionality of the materials interrelate. In this context, this course relates with key topics on:

1. The biomass valorization and natural polymers, including their origin, extraction/isolation, characterization, and physiochemical, structural, mechanical and their biological properties;
2. The development of novel multifunctional bio-based materials architectures and manufacturing processes is also assessed, as well as, their applications in key areas such as biomedicine, composites, agriculture, and environmental engineering are also discussed.

Students acquire the competence to think of biomass valorization and biopolymers as a sustainable alternative to fossil-based polymers for the development of polymeric materials and composites. Basic knowledge in polymer chemistry is beneficial but not necessary. The course content will include a series of lectures using Power Point slides, case studies, exercises and in-class oral presentations by the students. Students should keep up with assigned reading and ask questions in class or by email.

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L’objectif est de présenter des méthodes et des techniques pour mettre en place un atelier, équilibrer les opérations sur les postes de travail et planifier les travaux en utilisant la méthode de planification des ressources de fabrication (MRP2). De nombreux exemples, méthodes et bonnes pratiques sont présentés et expliqués aux étudiants.

Au cours des exposés, une présentation sera donnée sur :

1. Techniques de mise en œuvre : méthode des liens et algorithme de King

2. Équilibrage de ligne : définition du problème et résolution du problème par les méthodes COMSOAL et RPW

3. Planification de la production : présentation de la méthode MRP2, de la planification des ventes et des opérations à l’établissement du calendrier

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Course description:  The objective is to introduce to students 3D printing of polymeric materials (thermoplastic and thermoset). 3D printing of ceramic and metal is not taught for the moment because these technologies are too expensive. My course is based on feedback on 3D printers that we have acquired and used in teaching during student projects and also in research on recent projects with industrialists (SAFRAN E&P, OUDOUL64).  After an introduction on the development of 3D printing in UPPA since 2014, we will see that SLA and FDM 3D printing are quite different and the criteria of selection of one of this two technologies (esthetic aspect, mechanical properties, thermal properties, price, time to proceed) . To finish a short introduction of 4D printing developed at MIT/Harvard lab.

Course structure: During the lectures a presentation will be given on :

Introduction to 3D printing

1. Definition of 3D printing
2. Possibilities to print numerical object
3. Principe of 3D printing with FDM
4. Comparison of our two 3D printers in UPPA
5. Comparison of materials and mechanical properties of 3D printed parts
6. Projects of students in Master
7. Advantages et drawbacks
8. 4D printing

   Conclusions

3D printing with laser technology : SLA

1. Schematic of SLA process
2. Preform software
3. Flexural and Tensile test on RIGID resin
4. Examples of printed parts :
   1. first printing
   2. technical part with thread
   3. sinusoidal thermal exchanger
   4. Y connector
5. Comparison with FDM
6. Injection moulding in SLA prototype mould

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L’enseignement s’effectue sous forme de travaux pratiques traitant de pièces et mécanismes réels en lien avec la recherche menée à l’Université.

La première partie de l’enseignement consiste en une initiation aux procédés conventionnels d’usinages (fabrication soustractive). A la fin de cette courte période, l’étudiant est en mesure de concevoir des pièces techniques simples en tenant compte de contraintes liées à l’usinage de ces pièces. Le second temps de l’enseignement est entièrement consacré à l’outil numérique de C.A.O. Cet enseignement s’appuie principalement sur des séances de travaux pratiques. Une progression sur la difficulté des sujets proposés permet à l’étudiant une appropriation graduelle des fonctions d’assemblages du logiciel de C.A.O. L’objectif de chaque séance est la restitution d’un ou plusieurs objets 3D ainsi que leur assemblage, à partir de leurs plans 2D.

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The objective of this course is to establish a state of the art of polymer-based nanocomposites. After defining nanocomposites, we review the main processing methods for these materials, focusing on the specific issues and challenges they raise. We then study the specific properties of nanocomposites, with a particular focus on their relationship with the nanoscale of the fillers. We end up with studying several applications.

The teaching strategies of this course include traditional course and several case studies.

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