Casque Pliable

Introduction

Commençons par nous demander pourquoi ce produit existe t'il. La démocratisation des trotinettes électriques et l'abandon des voitures au profit des vélos pour faire de petits trajets a fait considérablement augmenter le nombre d'utilisateurs de casque de protection routière.  Ces casques posent un problème d'encombrement certain qui décourage plus d'un cycliste qui préfèrent effectuer leurs trajets sans casque afin de ne pas être encombré. L'idée d'un casque pouvant alors se ranger dans un petit compartiment afin de ne pas emcombrer l'utilisateur vient alors directement à l'esprit. Mais comment créer un tel produit ?

Le défi

La difficulté de ce projet est de concevoir un casque qui soit  à la fois pliable et qui protège l'entièreté du crane de l'utilisateur, tout en adaptant une démarche qui s'inscrit dans les concepts de développement durable et d'économie circulaire.

Nous visons également à faire un casque pouvant s'inserer dans la poche avant d'un sac à dos afin de nous donner un objectif concret. 

La démarche scientifique

Nous avons tout d'abord commencé par faire l'état de l'art des solutions déjà existantes afin de dégager la solution qui nous parraissait la plus intéressante.

Finalement, on trouve trois catégores de casque pliable sur le marché : pliage par écrasement vertical et horizontal, par pliage complexe en 3 temps et les casques qui peuvent se recroqueviller sur soit même.

Or, toutes ces méthodes de pliage ne permettent pas une réduction de volume suffisante pour pouvoir ranger le produit dans un emplacement pratique et stratégique.

Le casque que nous retiendrons pour la suite de notre projet est le casque plixi fit de décathlon car il est celui qui propose la meilleure diminution de volume.

Problématisation

La suite de notre démarche est de problématiser les différents points que nous voulons améliorer comme montré ci-dessous : 

Toutes ces données et ces problèmes sont ensuite mises en coordinence dans la matrice Trizz :

La matrice nous a ensuite associé les différents paramètres du problème pour ressortir les solutions les plus adaptées au problème. En abscisse nous avions la résistance aux chocs et en ordonné la compacité de notre casque.

Recherche de solutions

Nous avons par la suite cherché des solutions innovantes dans chacune de ces recommandations. C'est la section segmentation nous a apporté la première solution. Nous avons trouvé une technologie qui permet de mieux protéger l'usager sans pour autant entraver la pliabilité de notre casque appelée MIPS (Multidirectional Impact Protection System).

Des ingéneurs suisses ont conçu une "peau" sur la partie extérieure du casque capable d'absorber une partie de la rotation de la tête lors d'un choc. Une innovation qui nous est très utile car cette rotation après impact est l'une des principales causes de lésion grâve que subit le cerveau pendant un accident.

La membrane extérieure va s'étirer à la manière de la peau humaine pour provoquer un moment dans le sens opposé à la direction de déplacement pour freiner la rotation et éviter que la tête de l'usager vienne percuter les parois du casque. Cette technologie vise à faire tendre un choc élastique en choc mou qui est préférable pour éviter les rebonds et donc des chocs à répétition.

Les solutions suivantes que nous avons envisagé utilisent le biomimétisme. Notre inspiration principale a été l'ankylosaurus, un dinausore qui peuplait la terre il y a plus de 68millions d'années. Ce specimen était doté d'une carapace de crocodile préhistorique qui lui permettait à la fois de mouvoir son dos et d'avoir une protection très efficace contre les agresseurs : 

Cette prouesse était due au fait que les grosses protections que vous pouvez voir sur l'image ci-dessus étaient reliées entre elles par des plaques osseuses dermiques qui qu'en à elle étaient souples. L'ankylosaurus était capable de se mettre en boule pour protéger les zones sans protection, notamment son ventre.

Ce dinosaure nous a inspiré à faire un casque bi-matière avec une membrane souple qui relie des blocs rigides capables d'absorber les chocs. 

L'idée précèdente nous a mené à une autre solution simmilaire qui conserve les avantages précèdents avec des ouvertures en plus qui permettraient à la transpiration de s'évaporer. Cette fois-ci, la forme du casque se rapproche plus d'une toile d'araignée. Les pads solides seraient non pas surmoulés à l'intérieur de la membrane souple, mais au dessus. Ils seraient reliés au casque par des petits tétons qui augmenteraient la mobilités des parties solides et ainsi pouvoir remplir la fonction MIPS, vue précédemment, en assurant un choc en 2 temps.

Recherche de géométrie des pads

 Pour nos différentes recherches de solutions, nous avons beaucoup questionné différentes sources de réponse, à savoir Pinterest, Chat GPT ou encore plus communément Google.

 Pour trancher sur la solution que nous allions utiliser lors de notre projet, nous avons étudié les différentes géométries possibles pour la forme de nos pads solides dans la confection de notre casque pliable. Nous étions à la recherche de géométries qui permettraient à la fois de disperser l’énergie employée lors d’un impact et qui ne gêneraient pas le pliage du casque.

 La forme alvéolaire était dans un premier temps très attrayante car elle offrait un compromis quantité de matière/solidité excellent. Cependant cette géométrie allait nous poser des problèmes d’enroulement à cause d’un nombre de pad trop important au niveau des pliures.

 Les cercles nous ont aussi intéressé car cette forme permet d’évacuer au mieux les chocs vers l’extérieur mais le problème de pliabilité est amplifié par rapport à la forme alvéolaire.

 Le réseau triangulaire offrait quant à lui de nombreuses possibilités au niveau du pliage. Le frein principal à adopter cette géométrie était le fait que les triangles laissaient des zones de vide nécessaire au pliage. Des zones de vide que nous ne pouvions évidemment pas nous permettre sur un casque.

Solutions retenues

 Pour garantir un enroulement sur soi-même, qui est pour nous la solution la plus efficace pour réduire le volume d’un casque, nous avons décidé de nous lancer sur la première idée, à savoir la fabrication de pads solides surmoulés d’une membrane souple. 

 Pour le choix de géométrie des pads, nous avons opté pour un alignement alvéolaire avec la présence de la membrane souple entre chaque ligne pour pouvoir enrouler le casque dans le sens de la longueur. D’après nos recherches, cette géométrie est la plus efficace pour absorber les chocs. 

Prototype n°1 

Pour ce premier prototype, nous n’avions pas encore trouvé de matière à tester ni de pads, nous voulions simplement tester une technique d’attache de casque. Le but recherché était de trouver un moyen de se passer du réglage du casque traditionnel avec une crémaillère qui gênerait l’enroulement du casque et de pouvoir se servir de cette technique aussi pour maintenir le casque enroulé en position de rangement.

Nous nous sommes donc inspirés des prothèses médicales de maintien de la mâchoire. 

 Cette solution nous permettrait de plaquer complètement le casque sur la tête d’un individu grâce à l’appuis de la sangle en forme d'auréole  sur le haut du casque. De plus, lors du “mode rangement”, donc roulé, nous pourrions utiliser les sangles pour maintenir le casque dans cette position. 

Notre prototype était fabriqué en carton, ce qui ne nous a pas permis tester l’efficacité à 100% de cette solution, mais nous étions quand même satisfait du maintien du casque sur la tête.

Recherche de matière

Nous étions donc à la recherche de 2 matières différentes pour la partie principale du casque : une rigide pour les pads et une autre souple pour la membrane.

Pour la matière rigide, nous avions pensé tout simplement à l’ABS pour sa disponibilité, son prix bon marché, sa grande résistance au choc, sa recyclabilité et sa facilité à être injecté que ce soit sur presse ou en impression 3D.

Pour la membrane souple, nous avions un large choix d'élastomères. Mais ce type de thermodurcissable est coûteux et ne se conserve pas. 

C’est en poussant nos recherches sur les matières qui composent les produits de protection, notamment les dorsales, que nous sommes tombés sur une matière très intéressante qui est à la fois souple et se durcit lors d’un impact : le D30.

Nous connaissons tous des liquides ou des gels comme le “SLIME” qui durcissent au moment d’un impact. Mais le plus gros intérêt du D30 est qu’il se présente comme un matériau qui peut être mis en forme et rester dans un état caoutchoutique.

Le D3O est constitué de molécules «flottantes», fluides, capables de se « verrouiller » ensemble. Cette réaction est instantanée, moins de 10 millisecondes ! Non seulement, elle intervient immédiatement, mais suite à  l’impact, les molécules retrouvent leur état d’origine. Quand elles reçoivent un impact, ces molécules agissent comme un filet, pour répartir la force sur une surface plus large. Plus l’impact est violent plus les molécules vont réagir, fournissant ainsi la meilleure protection possible.
Autres avantages, le D30 ne craint pas l’eau, il résiste à la chaleur, est lavable et peut être perforé, afin de faciliter la circulation de l’air.

Cette matière comporte aussi des petits défauts notables. Elle ne résiste pas bien aux températures extrêmes, au vieillissement et au déchirement. Au fur et à mesure de la création de nos prototypes il sera peut-être possible d’atténuer ces propriétés nuisibles.

Malheureusement pour nous, l’entreprise qui développe le D30 bloque l'envoi de résine à mettre en forme et ne souhaite pas communiquer avec des étudiants ou le personnel enseignant.

Pour pouvoir utiliser cette matière nous sommes donc contraint d’acheter un produit fini, dans notre cas une dorsale, et de la bricoler pour lui donner une forme de casque. L’achat de la dorsale ne nous donne pas la possibilité de réaliser de test non plus car ces derniers ne seront pas normalisés du fait de la fabrication des éprouvettes de test ou des échantillons de matière pour des tests de MFI ou de DSC, les résultats ne seraient pas à prendre en compte.

Prototype n°2

Nous avons confectionné ce deuxième prototype en recevant la dorsale en D30 dans le but de tester différentes manières d’attacher le casque sur la tête d’un individu et la manière de découper la dorsale pour lui donner le plus possible la forme d’un casque. Ces prototypes étaient en carton et servaient par la suite d’essai avant d'endommager la dorsale.

Pour commencer, nous avons dessiné la forme de la dorsale sur plusieurs cartons. Ensuite nous avons réduit ses dimensions et découpé la matière pour pouvoir obtenir une forme qui se rapproche le plus possible d’un casque. 

Une fois satisfait de la forme, nous avons entaillé nos prototype en cartons pour pouvoir insérer des sangles en nylon que nous avons emprunté à un autre groupe de projet. L’objectif de cette partie était de positionner l’emplacement des sangles pour pouvoir parfaitement plaquer la matière sur le crâne d’un individu. Nous avons eu beaucoup de difficulté à rabattre le casque au niveau des coins car la dorsale est faite tout en longueur. De plus, le carton se fragilise facilement ce qui nous à fait perdre du temps en refaisant des prototypes d’essai.

Une fois satisfait de notre prototype en carton nous sommes ensuite passé sur la découpe de la dorsale, ce qui nous a donné le troisième prototype.

Prototype n°3

Ce troisième et dernier prototype remplit tous les objectifs de notre projet. Le casque peut se rouler sur lui-même et se ranger dans la poche latérale d’un sac de cours prévu initialement pour le transport d’une gourde tout en protégeant le crâne des chocs lors d’une chute.

Grâce à la recherche de matière, nous avons complètement abandonné l’idée de fabriquer des pads solides surmoulés d’une membrane souple puisque le D30 permet à lui seul de remplir les deux fonctionnalités : être à la fois rigide et souple. Cela nous permet de proposer un casque mono matière pour sa partie principale. Même si nous ne pouvons pas lui donner une forme particulière du fait de l’inaccessibilité du D30, nous avons acheté une dorsale de protection de moto et lui avons donné une forme de casque.

Ce prototype nous a permis, dans un premier temps, de tester sa souplesse. À l’aide de sangles que nous avons découpées dans du nylon d’un autre groupe, notre casque peut parfaitement se tenir sur la tête d’un individu et protéger son crâne. Puis, en roulant le produit sur lui-même en quelques secondes, nous pouvons l’insérer dans la poche latérale d’un sac de cours, prévu initialement pour une gourde. 

Dans un second temps, nous avons testé la résistance au chocs du matériau et sa capacité à protéger un crâne. D’une manière simple, nous nous sommes contentés de placer un choux rouge à l’intérieur du casque et de le lâcher d’une certaine hauteur. Nous avons pris un chou car c’est un légume rond, fragile qui explose en le laissant tomber par-terre et assez lourd pour imiter la tête d’un individu. Nous avons aussi récupéré une mousse de Polyuréthane que nous avons découpée en lamelles et que nous avons mise à l’intérieur du casque pour plus absorber le choc au moment de l’impact et pour imiter le confort des casques que nous trouvons sur le marché. 

Finalement, on s’est rendu compte que même sans la mousse, le chou ne présentait aucune marque d’impact. Nous avons donc décidé de laisser des lamelles de mousse de 1cm pour le confort de l’individu et cela n’empêche pas de rouler le casque pour le ranger.

Nous pouvons donc valider la matière D3O pour la création de casque pliable révolutionnaire. Mais pour pouvoir commercialiser un produit dans une telle matière, on a identifié de nombreuses pistes d’amélioration pour les prochains prototypes. 

Tout d’abord, il faudrait trouver un autre moyen plus esthétique d’attacher le casque sur le crâne d’un individu. Grâce à la grande souplesse de la matière, nous avons imaginé que le casque pourrait s’adapter à n’importe quelle taille de tête d’un adulte en ayant comme forme initiale, non pas celle d’un casque, mais celle d’un demi œuf qui est légèrement plus plat. L’idée est de rabattre toutes les parties du casque sur la tête d’un individu à sa convenance. Mais cela rend le projet encore plus compliqué car la matière est assez souple. Il faut donc de nombreux points d’attache pour rabattre toutes les parties du casque et ainsi protéger correctement l’entièreté de la tête. Il faut donc jouer avec la forme initiale du produit et un moyen d’attache efficace pour pouvoir attacher correctement le casque sur la tête. 

Ensuite, le plus intéressant serait de pouvoir échanger avec l’entreprise qui fabrique ce matériau pour pouvoir réaliser des tests de caractérisation et en apprendre plus sur les propriétés mécaniques de la matière. Ce serait aussi l’occasion de pouvoir réaliser un moule et couler la résine pour pouvoir réaliser des prototypes de casque avec une forme adéquate. On pourrait alors tester différentes formes mais aussi tester la respirabilité et l’étanchéité du casque en adaptant la géométrie.

Enfin, le D30 est en réalité du Polyuréthane. Ce matériau peut à la fois être sous la forme d’un Thermodurcissable ou d’un Thermoplastique. Nous avons pu essayer de le chauffer avec un briquet, mais très vite nous nous sommes rendu compte qu’on dégradait la matière. C’est sous sa forme thermodur qu’il est mis en forme et donc non recyclable. Malgré tous ses très nombreux avantages pour la réalisation de notre projet, nous ne pouvons pas fermer les yeux sur le fait qu’un tel matériau ne rentre pas dans une démarche d’économie circulaire et de développement durable. Le challenge serait de trouver une alternative recyclable à ce matériau avec les mêmes caractéristiques chimique et mécanique.

Compétences développées durant ce projet 

Ce projet nous a permis de développer de nombreuses compétences.

Tout d’abord, apprendre à travailler en équipe n’est pas une chose simple. Il faut savoir se répartir le travail intelligemment sans se marcher dessus et surtout communiquer au sein du groupe pour informer les autres de notre avancée. Il est important de savoir travailler avec les connaissances, les savoir-faire et les lacunes de chacun. On apprend énormément des autres et ce genre de projet en groupe nous permet de nous développer aussi personnellement. 

Lors de ce projet nous avons appris à utiliser un nouveau logiciel. Triz est une intelligence artificielle qui aide ses utilisateurs à innover. Se former à de nouveaux outils fait aussi partie du quotidien des ingénieurs. Leurs prises en main demandent souvent du temps. 

En termes de compétences propres au cursus scolaire, cela nous apprend à mettre en œuvre des connaissances scientifiques et à être capable de justifier tous nos choix de solutions. La confection de prototype est aussi importante. Il ne faut pas avoir peur de faire du bricolage. Tant que cela nous permet de tester parfaitement un aspect de notre produit final, ce dernier est parfaitement utile. Il faut avoir l’esprit critique et du recul sur ce que nous faisons.

Remerciement

Dans le cadre de ce projet, nous tenions à remercier plusieurs personnes qui nous ont aidé à différentes échelles et de différentes manières tout le long de ce semestre. 

Merci à Xavier CECCHET et Denis CAVALUCCI pour le suivi de projet et l’aide apportée durant toute la durée du semestre. 

Merci à Vincent VOTTERO pour nous avoir prêté les différentes mousses et nous avoir éclaircis concernant les possibles tests réalisables pour nos prototypes.

Merci aux camarades de classes et aux élèves de la classe de PL4 pour l’entraide et nous avoir donné un point de vue extérieur très utile à certains moments.