Bague clé

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Sommaire: 

I- Introduction

II- Étude du marché

III- Analyse fonctionnelle 

    A-Cahier des charges:

    B-Controle de validité:

    C- SYSML: 

IV-Conception

    A-Croquis

    B- Différents dessins CAO 

      1- Partie serrure 

      2- Partie bloc de verrouillage

V- Réalisation du prototype 

    A-Partie serrure

    B-Bloc serrure

    C-Prototype final

VI- Conclusion et suite du projet: 

VII- Fiche de présentation 

 

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I- Introduction

  Lorsque l’on souhaite ouvrir les cadenas de nos vélos, de nos portails et pour tout autre bien sécurisé grâce à une serrure, nous avons constamment besoin de nos clés pour les débloquer. Que cela soit pour les femmes qui ne possèdent pas toujours de poches; ou lors de sorties où l’on a peur de perdre ses clés (soirées, sport …) dans de nombreux cas, le port de clé est  fastidieux. C’est en ayant ces motivations en tête que nous avons eu l’idée d’une bague clé et par extension, sa serrure. Ainsi, grâce à cette innovation, le port de clé devient inutile. Finalement, dans des situations où il est impossible de porter la bague (jardinage, travail manuel, zone où il est interdit de porter d'accessoires … ) on pourra éventuellement la porter au bout d’une chaîne. 

 

Notre travail s'est alors divisé en quatre temps: 

  Tout d'abord, une étude de marché portant sur les différents cadenas existant actuellement, nous permettant de vérifier si notre idée se démarque réellement des produits sur le marché. Dans un deuxième temps, une analyse fonctionnelle pour dresser un cahier des charges ainsi que les besoins et les milieux dans lequel notre innovation évoluera. Quand ces deux parties furent finalisées, nous avons alors débuté la véritable conception de notre produit, nous permettant de créer un prototype. 

Pour vous permettre de suivre notre progression le long du semestre, voici un diagramme de Gantt suivant nos activités:

 

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II- Étude du marché

 

  Pour nous permettre de développer notre idée, nous nous sommes tout d'abord tournés vers les cadenas, ainsi que leurs serrures, qui existent déjà. Vous retrouverez ci-dessous un panel non exhaustif de produits existants actuellement, avec à chaque fois, leurs points positifs et négatifs.

 

 

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III- Analyse fonctionnelle 

 

Pour nous assurer de répondre aux besoins liés à la bague clé et déterminer les différentes fonctions techniques, nous avons alors effectué une analyse fonctionnelle en plusieurs étapes:

-Un cahier des charges: nous permettant de voir les différents milieux et contraintes.

-Un contrôle de validité: nous permettant de voir les limites de notre innovation ainsi que de préciser le besoin auquel il répond. 

-Deux diagrammes SYSML: formant une batterie de modélisation pour réussir à déterminer les différentes fonctions techniques ainsi que le système dans son milieu.  

 

A-Cahier des charges:

 

  Le projet étant assez ambitieux, nous avons tout d'abord mis un point d'honneur à constituer un cahier des charges dans lequel nous pourrions lister les milieux dans lesquels l'innovation allait évoluer au quotidien et les contraintes que cela impliquait. Bien sûr, il a fallu que l'on garde à cœur les besoins de l'utilisateur qui est censé porter presque continuellement la bague. Vous trouverez donc ci-dessous le cahier des charges que nous avons dressé grâce aux différents fils conducteurs que nous avions pour notre projet. 

 

Fonction principale: Verrouillage et déverrouillage de la serrure à l'aide de la bague portée par l'Homme. 

Tableaux des contraintes: 

Milieu	Description des contraintes
Physique	Le système doit résister aux manipulations dues à l'utilisation normale de la serrure; La bague doit résister à la transpiration/ la vie en général.  La serrure doit pouvoir se fermer et s'ouvrir;  La serrure doit pouvoir résister aux éléments (températures, intempéries ...); La serrure doit pouvoir résister aux méthodes conventionnelles de crochetage et aux chocs.
Technique	La bague doit être adaptée au doigt de la personne (taille universelle);  La serrure ne doit pas pouvoir être crochetée;  La serrure doit être utilisable facilement.
Industriel	Le système doit être imprimable en 3D et montable facilement.
Humain	La bague doit être (plutôt) esthétique; Le design et la couleur de la bague doivent être personnalisables dans une certaine limite; La bague doit être unique;  Ergonomie d'utilisation.
Environnemental	Possibilité de refaire une bague si perte;  Durabilité.

 

    B-Controle de validité:

Un questionnement qui s'est imposé durant le projet et surtout après l'étude du marché était: "a-t-il véritablement une chance sur le marché actuel des serrures et des clés?". C'est pourquoi nous avons dressé un contrôle de validité pour effacer ses doutes. Ce dernier nous permet donc de répondre aux questions fondamentales que vous trouverez ci-dessous: 

• Pourquoi le système existe-t-il?
  • Il existe, car les clés peuvent être perdues plus facilement que les bagues. 
  • Parce que les clés sont encombrantes (tenues vestimentaires: jupes, robes, métier ...) 
• Pourquoi le besoin existe-t-il? 
  • Pour libérer les poches des clés; 
  • Pour faciliter le déverrouillage, car il ne nécessite pas d'actions supplémentaires pour sortir;
  • Pour être à la pointe de la technologie. 
• Qu'est-ce qui peut le faire évoluer? 
  • Ce qui pourrait le faire disparaitre: Démocratisation des systèmes de verrouillage par données biométriques; 
  • Difficultés d'adaptabilité aux différents systèmes actuels utilisant des systèmes de déverrouillage par clé ou par données biométriques;
  • La baisse des coûts des systèmes de verrouillage concurrents. 
• Dans sa forme actuelle, le besoin est-il satisfait? 
  • Oui; 
• Pourquoi? 
  • Car notre système se veut novateur sur la façon de penser la sécurité, d'une manière plus pratique. Sa facilité d'utilisation et de transport est également mise en avant par le produit. La présence unique de systèmes mécaniques permettrait une meilleure durabilité en raison de l'absence de composants présentant des fragilités ou utilisant des composants électroniques. L'entretien est beaucoup plus simple, car le mécanisme se passe de lubrification.

 

    C- SYSML: 

 

  Enfin, nous avons effectué deux diagrammes sysml: un diagramme de séquence ( à gauche) ainsi que le cas d'utilisation de notre système. Ces deux derniers nous ont permis d'illustrer tous les aspects techniques auxquels notre projet devait correspondre pour une bonne utilisation. C'est grâce à ces derniers que nous avons pu commencer la modélisation en gardant en tête les fonctions techniques auquel l'objet doit répondre. 

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IV-Conception

    A-Croquis

  Pour commencer la conception de notre innovation, nous avons d'abord fait différents croquis potentiels avec diverses idées que nous avions:

   

 

Ces deux croquis se focalisent sur la manière dont la bague permettra le déverrouillage de la serrure et la manière dont elle s'insérera dans le mécanisme. 

Le premier croquis illustre une première conception du cadenas avec une ouverture latérale pour la bague (en haut à gauche), la partie basse de la feuille de croquis représente quant à elle une vue de côté de la bague comportant une de ses dents en contact avec l'un des pins de la serrure.  

Enfin, le second possède une vue de face, ainsi que de côté, de la partie mobile de la serrure avec ses différents pins sans la bague, donc dans une position de verrouillage. On y retrouve les éléments essentiels pour la fermeture de la serrure, dont les ressorts. 

Grâce à ces croquis, une idée commençait alors réellement à s'imposer: 

Une serrure où l'on insère une bague et où l'unique action est de tourner son doigt tout en tenant une partie fixe de la serrure. La proposition d'ouverture latérale a quant à elle était écartée à cause du nombre de pièces supérieures à celle de l'ouverture centrale. Enfin, pour permettre une meilleure compréhension de la serrure dans son milieu, nous avons décidé de créer un bloc de serrure avec son U de verrouillage. Mais le projet devrait être universel pour tout type de serrure ( porte, casier, etc.) dans le cas où le projet aboutirait sur un potentiel brevet. Pour des explications plus détaillées sur la façon dont le mécanisme fonctionne, vous pourrez vous référer à la partie modélisation.

    B- Différents dessins CAO 

      1-Partie serrure :

 

  La première modélisation s'est naturellement portée sur la serrure ainsi que la bague, étant donné que c'est le cœur de notre projet. La bague est ici représentée en beige (partie fixe) et orange (anneau comportant les pins qui pivote autour de la bague). La serrure quant à elle comporte deux zones: la zone bleue étant la partie fixe et la rouge, la partie mobile. Cette modélisation a été réalisée grâce au logiciel Solidworks. 

Fonctionnement: Dans une utilisation usuelle, la bague beige est insérée dans la partie rouge, ce qui permet de pousser les pins contre les ressorts. Le mécanisme à présent bien aligné, et en tenant la partie bleue, on va alors permettre la rotation de la partie mobile. Cela entrainera par la suite l'ouverture du cadenas grâce au bloc serrure ( ce point sera plus amplement détaillé dans le fonctionnement du bloc serrure). La sécurité de la serrure se base alors sur l'alignement des pins ou non. Il est donc extrêmement difficile de pouvoir crocheter une serrure avec quatre pins à 90 degrés chacun. Les dents de la bague étant eux aussi unique, un autre utilisateur ne pourra pas non plus débloquer la serrure, si elles ne sont pas correspondantes.  

Choix technique: La forme du ressort a été choisie selon des critères bien particuliers. Un des plus importants était qu’il fallait une géométrie de pièce qui lui permette d’avoir de l'élasticité, c’est-à-dire de pouvoir se déformer sans se rompre. Cependant, l’effort pour atteindre ce but se devait d’être minimal. En plus de cela, il était nécessaire que celui-ci ait tout de même assez de force pour revenir à son état d’origine. Enfin, l’empreinte était également limitée : nous ne pouvions utiliser de ressort “classique”, similaire à ceux que l’on peut retrouver dans les stylos billes, car ils auraient pris trop de place radialement au cercle. Il fallait donc répartir la déformation de manière tangente au cercle de la serrure. Il nous est alors venu à l’idée d’utiliser le flambage de la matière afin de réussir à faire cela, en s’inspirant d’un mécanisme complaisant assez connu en impression 3D :

 

  Cependant, nous devions à la fois réduire la taille du ressort et à la fois augmenter sa taille pour gagner en déformation possible. La solution technique qui nous est apparue a été de recourber sous forme de pli les bras du ressort afin d’augmenter sa longueur tout en gardant la même empreinte. 

  Pour ce qui est de la taille des dents, nous avons choisi une valeur qui semblait être la plus adaptée. 

  Par la suite, nous avons préféré faire un prototype avec 4 pins, car il s’agit là d’une preuve de concept. La valeur 4 vient en particulier du fait que nous voulions au moins tester la sécurité à 4 niveaux. Dès lors, il est immédiat de vérifier que si 4 fonctionnent, tout nombre supérieur peut fonctionner.

Enfin, pour cette modélisation, nous avons placé une certaine importance au tolérancement pour que l'impression des dents et des ressorts soit la plus précise possible. 

      2- Partie bloc de verrouillage :  

 

  Pour ce qui est du bloc de verrouillage, il se compose de quatre zones différentes: le bloc serrure composée de deux-pièces similaires rouges, le U en gris ainsi que des inserts: deux crémaillères jaunes, et des vis en orange pour chaque demi-bloc. Cette modélisation a été faite grâce au logiciel Créo. 

Fonctionnement: La serrure (voir modélisation précédente) vient se placer dans l'espace au centre du bloc cadenas et les dents de la partie mobile rouge viendront se loger sur les dents des deux crémaillères jaunes. Ainsi, la rotation de la partie mobile viendra entrainer les deux crémaillères, permettant alors l'ouverture du bras en U. 

Choix technique: L'un des principaux obstacles auquel nous nous sommes heurtés durant la conception du bloc est lié aux dents des deux crémaillères: leur création ainsi que leur dimensionnement. Ce dernier point est extrêmement important étant donné que si les dents de la partie mobile de la serrure et ceux de la crémaillère ne sont pas aux mêmes dimensions, le mécanisme ne fonctionnera pas. 

  Ensuite, un deuxième point d'attention s'est porté à la manière d'imbriquer la partie haute et basse. Nous avons finalement choisi un design symétrique pour les deux parties du bloc de verrouillage, à l’exception des trous par lesquels le U de verrouillage rentre dans le bloc de verrouillage. Cette symétrie est importante, car le système étant doté de deux crémaillères, une dans chaque partie, il est donc plus simple de tolérer correctement un seul demi-bloc, car nous savons d’ores et déjà que les tolérances seront identiques pour l’autre partie du bloc de verrouillage.

Cela a néanmoins mis en place plusieurs défis, car les deux pièces doivent s'assembler sans entrer en collision l’une avec l’autre. Cette disposition a aussi permis de mettre à profit les formes de la pièce. En effet, comme dessiné ci-dessous, le méplat va maintenir la crémaillère du haut tout en accueillant la vis pour le verrouillage du bloc. La symétrie a été utile, car elle nous a obligés à donner plusieurs fonctions à une même forme. L’arche maintient la vis et la crémaillère tandis que la partie qui accueille l’insert sert de support à la crémaillère. 

 

 
 

  Enfin, comme exprimés plus haut, nous avons rajouté des inserts. Ces derniers ont été rajoutés lors de la modélisation pour rendre le prototype facilement démontable et remontable. D’autre part, la présence de ces deux ensembles assure un maintien solide des deux parties du bloc de verrouillage. Il aurait été plus compliqué de mettre en place un système sécurisé, fiable et résistant à l’usure pour fermer le bloc de verrouillage. Enfin, les vis nous permettent de rattraper le potentiel jeu latéral du bloc de verrouillage, car les deux vis sont en opposition. La mise en place se fait à l’aide d’une source de chaleur, si bien qu’une fois mise en place, les enlever est quasiment impossible sans appliquer de nouveau une source de chaleur. Cela ajoute alors une qualité de fabrication au bloc de verrouillage. Nous avons d'ailleurs choisi des vis M5x15 pour cette utilisation, vous trouverez ci-dessous leurs modélisations. 

 

  Malheureusement, les modélisations du bloc de serrure et de la bague serrure ayant été faites sur deux logiciels différents (pour des raisons de simplicité d'utilisation étant donné que deux personnes différentes ont travaillé sur chaque partie), il nous est impossible de présenter une modélisation des parties emboitées. 

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V- Réalisation du prototype 

  À présent que les deux parties de notre projet étaient modélisées, il ne nous restait qu'à choisir quelle machine serait la plus adaptée aux différentes pièces (et donc quel matériau utiliser). Nous avons alors alterné entre trois machines et matériaux: 

• Pour le bloc de serrure : notre choix s'est porté sur la Fortus 250 mc, car c'était la plus adéquate pour la réalisation des différents trous intérieurs via le filament soluble. Pour ce qui est du matériau, son choix pour le prototype n’était pas primordial, nous l’avons réalisé en ABS pour ce qui est du bloc, mais nous aurions pu le réaliser en PLA par exemple. 

 

• Pour les deux crémaillères ainsi que les ressorts: nous avons choisi  l'Anycubic Photon M3 Max et de la résine PETG en raison de la précision relativement petite voulue pour les dents des crémaillères. Cette précision devait d'ailleurs être d’un niveau de précision similaire avec l’engrenage qui les entraîne, lui aussi imprimé en résine pour le prototype. La matière retenue a également été réfléchie pour optimiser le ressort : Le module de Young du PETG est largement supérieur à celui du PLA, lui offrant une plus grande flexibilité, c’est pourquoi cette matière a été retenue.  

 

• Pour la bague, la serrure et le "U" : Nous avons utilisé des machines EDM et résines appartenant à Colin. Pour ce qui est du matériau, à échelle réelle, la bague et la serrure ont été imprimées en résine. En effet, nous avions besoin d’une grande précision pour les réaliser. Malheureusement la précision demandée s’est révélée être trop élevée pour ce mécanisme. Toutes les pièces ont été imprimées en PLA pour des raisons de coûts et de rapidité. Il est important de noter qu’il s’agit presque exclusivement de PLA dit “silk” ou “soie”. En effet, ce type de PLA offre, outre l’aspect esthétique, une qualité de surface particulièrement lisse, ce qui permet de minimiser la friction entre les pièces et donc de faciliter les mouvements entre celles-ci.

 

  Nous avions dans un premier temps envisagé d'utiliser la Lisa Pro pour la confection de la bague et de la serrure, mais nous n'avions pas réussi à la faire marcher. De plus, l'établissement ayant été fermé durant tous les congés de Noël, utiliser la machine de Colin fut alors la solution la plus rentable en termes de temps. 

  Un point sur lequel nous avons dû porter beaucoup d'attention avant les premières impressions du prototype, c’était le tolérancement des différentes pièces. Toutes les machines n'ont pas les mêmes tolérances, ce qui signifie que lorsque l'on fait une impression, les dimensions des pièces imprimées (notamment sur les axes (x,y)) ne sont pas exactement celles que nous lui avons initialement données sur notre logiciel de CAO. De ce fait, les pièces qui doivent interagir entre elles peuvent posséder des écarts de dimensionnement qui font que, par exemple, elles ne peuvent pas s'emboîter l’une dans l’autre, ou bien elles y arrivent, mais avec trop de jeux pour qu'elles soient fonctionnelles. 

  Enfin, dans ce cas présent, nous avons choisi d'utiliser des matières plastiques pour notre projet. Mais nous souhaiterions que la bague soit (si aboutissement sur un brevet il y a) faite en métal grâce à une machine à impression 3D. 

 

    A-Partie serrure

  Ainsi, dans un premier temps, nous nous sommes intéressés aux tolérancements de la serrure. Afin de nous assurer des bonnes tolérances, nous avons donc fait des tests d’impression. Le but était de savoir quelles dimensions donner à nos pièces pour que les jeux dans la serrure soient minimisés. Nous avons donc imprimé une dizaine d’exemplaires avec des dimensions différentes, puis on a testé les différents assemblages et on a gardé la pièce qui s’emboite le plus parfaitement. En outre, cela nous permet de noter la tolérance de la machine que nous avons utilisée. 

À présent que nous avions trouvé le tolérancement le plus adapté, cela nous a permis d'imprimer un premier prototype en taille 300%:

Nous avons décidé de couper ce prototype selon un plan précis, qui nous permet de voir le mécanisme de la serrure en action, et de comprendre comment celui-ci se verrouille et se déverrouille. Nous rappelons ici qu’afin de déverrouiller le cadenas, il faut que la pièce rouge tourne à l’intérieur de la pièce bleue.

 

                                                                                                                                      “Cadenas ouvert”

 

Il existe trois cas d'utilisation classiques : 

• Absence de bague
• Présence de la bague valide
• Présence d’une bague non valide

Cas 1 : Absence de bague

S’il n’y a pas de bague, les ressorts (indiqué ici en gris), poussent les pins et empêchent la rotation de la pièce rouge dans la pièce bleue. Le cadenas est verrouillé.

                                                                                 “Cadenas verrouillé - Pas de bague"                                                                            “Cadenas verrouillé - pas de bague - zoom”

Cas 2 : Présence d’une bague valide : 

Si le profil extérieur de la bague correspond, alors la jonction entre les pins et les ressorts s’aligne avec la jonction entre la pièce bleu et rouge, ainsi cette dernière peut tourner librement. Le cadenas est déverrouillé.

 

                                                                                                   “Cadenas ouvert”                                                                                                                    “Cadenas ouvert - Zoom”

 

Cas 3 : Présence d’une bague non valide.

Si le profil extérieur de la bague ne correspond pas, alors la jonction entre les pins et les ressorts ne sera pas alignée avec la jonction entre la pièce bleu et rouge, empêchant la rotation de cette dernière. Le cadenas est verrouillé.

 

                                                               “Cadenas verrouillé - profil de bague trop extrudé”                                                                  “Cadenas verrouillé - bague non valide”

 

Vous pouvez d'ailleurs voir l'impression du prototype en vidéo grâce à ce lien: https://drive.google.com/drive/folders/1EEk_7Fhfe1ho8DmSKyd-MRSs-vJ50uaf?usp=sharing

    B-Bloc serrure 

Dans un deuxième temps, nous avons imprimé différentes pièces du bloc serrure ainsi que les crémaillères que vous trouverez ci-dessous.

Ces impressions nous ont permis d'avoir une première vision des pièces finales pour ce qui est de leur longueur et de leur largeur ainsi que de l'emboitement des pièces. 

Grâce à ces différents tests, nous avons donc pu créer un premier prototype du bloc cadenas aux dimensions finales: 

    C-Prototype final

Malheureusement, nous n'avons pas réussi à imprimer un prototype emboîtable (bague, serrure et bloc serrure) de taille réelle fonctionnelle, les précisions et tolérances pour les dents de la partie mobile de la serrure ainsi que la bague étant trop fines pour les machines mises à disposition.  

Nous vous proposons néanmoins un prototype de taille 250% fonctionnelle et que nous avons réussi à imprimer grâce à la machine de Colin: 

 

 

  La serrure fonctionne comme expliquée précédemment avec sa bague (en blanc). Pour ce qui est du bloc serrure, il est facile de le fermer et de l'ouvrir à l'aide de deux doigts, il n'est donc pas entièrement fonctionnel étant donné qu'il peut fonction sans la bague.  

 

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VI- Conclusion et suite du projet: 

 

  Durant ce semestre, nous avons pu mener à bien ce projet qui nous a apporté et appris de nombreuses choses. Même si nous n'avons pas pu vous présenter un modèle fonctionnel à la bonne taille, nous croyons en notre système et nous souhaitons le faire maturer jusqu'à un potentiel brevet. 

De plus, nous ressortons de ce projet riche de connaissance pour nos prochains travaux de groupes, une meilleure ponctualité, communication et respect de toute potentielle idée. Durant ce semestre, nous avons réussi à traverser les différentes étapes de la création d'un prototype, de l'étude du marché jusqu'a sa forme finale. Cela met donc en meilleure perspective le travail d'un ingénieur de recherche et développement que nous serons potentiellement. 

Enfin, de multiples améliorations pourraient être appliquées à notre projet: 

• Recherche de design pour la bague; 
• Utilisation de métal à la place du plastique;
• Réussir à imprimer le prototype en format 1/1; 
• Le rendre adaptable à tout type de serrure ( porte, coffre-fort, etc. ). 

Nous sommes néanmoins très fiers de vous avoir présenté notre projet du second semestre. 

 

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VII- Fiche de présentation