Sommaire      

1. Intro -recherche du sujet

2. Analyse des produits existants

3. Analyse fonctionnelle

4. Modélisation - solution technique

5. Réalisation - fabrication

6. Conclusion - axes d'amélioration

1. Intro - recherche de sujet

Nous avons décidé de nous concentrer sur un objet utile et qui serait cohérent avec les volontés de réduire notre impact environnemental en utilisant le moins d’énergie possible. Notre but était donc de concevoir un ventilateur qui n’aurait pas besoin d’être branché, pour pouvoir être utilisé facilement sans être contraint par les prises électriques.

2. Analyse des produits existants

Après des recherches sur internet, nous n’avons pas trouvé de produits semblables, c’est-à-dire de ventilateur de bureau qui fonctionnerait sans électricité, et dont la propulsion serait assurée par un autre moyen. Il y a bien certaines vidéos mettant en scène des ventilateurs focntionnant grâce à un agencement ingénieux d'élastiques, qui permettent de faire tourner indéfiniment l'hélice. Cependant, d'une part, beaucoup de commentaires sous ces vidéos dénonçaient une arnaque, et d'autre part, nous avions une certaine idée de ce que nous voulions fabriquer, et cette idée ne correspondait pas vraiment à ces modèles d'énergie infinie.

Nous avons cependant trouvé des modèles de ventilateur de plafond fonctionnant à échappement de poids, grâce à l’ampleur permise par une installation fixe en hauteur. Les seuls modèles de ventilateurs de bureau que nous avons trouvés fonctionnaient soit en étant branchés sur secteur, soit avec une batterie. Le but de notre projet est de ne pas avoir à dépendre d’une source d’énergie externe, et d’être autonome, puisque la seule énergie requise pour son fonctionnement est fournie par l’humain, qui doit remonter un ressort (dans notre solution finale).

3. Analyse fonctionnelle

3.1. Analyse des besoins

Produit : ventilateur de bureau sans énergie

Pourquoi le produit existe-t-il ?

• Afin de proposer de la ventilation même quand on n'a pas accès à une source d'énergie pour notre appareil
• De manière plus générale, afin de se rafraîchir.

Pour quoi/Pour qui ce besoin existe-t-il ?

• Pour ceux qui vivraient sans électricité
• Pour ceux qui souhaitent se passer de toute source de pollution carbonée (carburant, production électricité…)

Qu'est-ce qui pourrait le faire évoluer ?

• Préférence pour les ventilateurs de plafond, plus facile à fabriquer avec ces contraintes

Qu’est-ce qui pourrait le faire disparaître ?

• Disparition du besoin de ventilation grâce à de basses températures
• Source d'énergie infinie et disponible facilement
• Conception de bâtiments passifs ne nécessitant pas de ventilation

Dans sa forme actuelle, le besoin est-il validé ? Oui

Fonctions principales :

• FP1 : mettre en mouvement l'air pour le propulser sur l'Homme

Fonctions contraintes :

• FC1 : 2→5 être une source de puissance non-électrique
• FC2 : 5→4 être stable pendant l'utilisation
• FC3 : 3→5 fonctionner un certain temps
• FC4 : 5→1 pouvoir agir sur l'air (perturbation du gaz)
• FC5 : 5→2 être renouvelable facilement

3.2. Cahier des charges : 

• Durée suffisante 30 minutes
• Souffle à au moins 1m50
• Tête orientable
• Transportable facilement, démontable
• Pas trop lourd
• Minimum de matière
• Remontable facilement
• Durable et solide
• (échappement de poids modulable)

On remarque qu’au début du projet nous pensions créer la rotation de l’hélice à l'aide d’un échappement de poids, et nous voulions donc que ce poids soit modulable. Plus tard dans notre réflexion, nous avons décidé de remplacer cette solution par un ressort, donc cette solution à été abandonnée.

4. Modélisation – solution technique

Nous avons commencé par dessiner quelques croquis pour se mettre d’accord sur la forme globale de notre ventilateur, ainsi que sur le mode de fonctionnement général.. Pour être plus efficaces, nous avons décidé de nous répartir les tâches en travaillant chacun sur une partie du projet, et en mettant en commun notre travail régulièrement.

La partie la plus importante était de décider comment nous allions remplacer l’électricité par une autre source d’énergie. Notre première idée, et celle qui a motivé ce projet, était de faire un ventilateur qui fonctionnerait avec un déplacement de poids, mais après quelques calculs, nous nous sommes rendu compte que pour avoir assez de puissance, nous aurions eu besoin d’un poids bien trop important par rapport à la taille que nous envisagions pour notre ventilateur. Nous avons donc décidé de réfléchir à une autre solution pour faire tourner notre ventilateur. Nous avons ensuite pensé à un ressort, puisqu’il pourrait être remonté facilement, et assez léger pour être utilisé sur un projet de petite taille.  Après réflexion, nous avons décidé d’utiliser un ressort spirale car il nous permettrait de créer facilement le mouvement de rotation nécessaire pour faire tourner notre hélice.

 Nous avons commencé par dessiner des croquis de la solution technique initialement retenue, l’échappement de poids, puis nous avons affiné ces croquis au fur et à mesure de l’avancement de notre réflexion, jusqu’à aboutir à un croquis contenant la solution finalement choisie, le ressort, et représentant la forme globale qu’aurait notre ventilateur .

Deux de nos premiers croquis, où on voit l’utilisation de l’échappement de poids, et l’idée de contenir les engrenages et les axes dans une boîte posée sur un pied.

On peut voir sur la deuxième figure que dès le départ, notre modèle intégrait la volonté d’être modulable.

Nous avons ensuite dû faire une estimation de la force dont nous aurions besoin pour entraîner notre hélice, pour décider du nombre d’engrenages à utiliser, et du rapport de ces engrenages. Plus spécifiquement, nous avons fait une estimation de la vitesse de rotation (théorique) que nous obtiendrions avec un certain rapport, déterminé empiriquement.

Dans notre solution finale, nous obtenons un rapport total de 64 pour 1 (voir illustration plus bas).

Un tableau réalisé au début du projet pour avoir une première idée du rapport nécessaire.

Pour pouvoir utiliser notre ventilateur facilement, l’utilisateur aurait besoin de pouvoir débrayer le ressort de l’entrainement de l’hélice, pour pouvoir le remonter facilement, donc nous avons ensuite travaillé sur un système qui pourrait être désengagé facilement des engrenages qui entraînent l’hélice.

Le bloqueur peut être enlevé, et la roue de transmission tirée vers l'arrière pour la désengager du premier engrenage.

4.1. Modélisation 3D :

La partie modélisation 3D à été effectuée plutôt facilement, car 2 des 3 membres du groupe étaient déjà assez à l’aise avec CREO PARAMETRIC, c’est donc le logiciel que nous avons utilisé. Cependant, nous avons dû utiliser des fonctionnalités du logiciel que nous n’avions jamais utilisées avant, notamment la partie "simulation des forces", que nous avons dû apprendre.

La première forme de la boîte de support pour le ressort. 

Une vue éclatée de la tête du ventilateur : de gauche à droite, le support du ressort, la "boîte de réduction", et bien sûr, l'hélice.

 Un autre modèle d'hélice, et son arbre de construction.

4.2. Partie modélisation des forces 

Nous avons effectué des simulations à l’aide de ce logiciel, afin de déterminer les zones soumises au plus de contraintes, de vérifier que ces contraintes n’étaient pas trop importantes et que le matériau que nous avions choisi les supporterait. 

Un premier exemple possible : la plaque soutenant tout le poids (ici, 1kg) de la structure en quatre points précis. La contrainte est de 5 kPa (pour 1kg) dans les zones en vert (Patm = 100kPa, pour comparaison)

Contraintes pour une charge d'un kg sur l'ensemble pied+support.

5. Réalisation – fabrication

Nous avons utilisé plusieurs pièces faites de 2 engrenages combinés, pour pouvoir démultiplier la vitesse donnée par le ressort. Nous avons donc décidé d’imprimer ces pièces en 3d, car c’était la solution la plus simple pour avoir des pièces qui correspondraient parfaitement à nos besoins. Nous avons aussi imprimé en 3D de nombreuses parties du mécanisme. Cependant, pour les pièces plus volumineuses, comme les pieds de notre ventilateur, nous nous sommes dès le début tournés vers une forme qui pourrait être constituée de plusieurs plaques, afin de pouvoir être réalisées d’une autre manière, plus efficace. Nous avons envisagé de découper ces pièces dans des plaques de bois, pour utiliser des matériaux éco-responsables et rester dans l’esprit de notre projet, mais finalement pour des questions de solidité et de résistance nous nous sommes tournés vers des pièces découpées à la découpeuse laser dans des plaques de PVC, avec une découpeuse Speedy 300 Flexx.

Nous avons aussi tenté de découper les pièces contribuant au maintien du mécanisme d'entraînement dans les mêmes plaques de PVC, mais ces pièces subissaient de nombreuses contraintes, et l’épaisseur des plaques de PVC que nous avions à disposition étant fixée, nous ne pouvions pas découper de pièce qui soit assez solide en utilisant cette technique, même en essayant de constituer la pièce en collant plusieurs épaisseurs entre elles. Nous avons donc décidé de réaliser ces pièces en impression 3D avec du PLA, comme nous l’avions imaginé au début. Pour cela, nous avons utilisé une imprimante Bambulab P1S.

Cependant, nous pourrions envisager un nouveau travail sur la forme de notre ventilateur, afin qu’il soit possible de réaliser certaines pièces en bois, dans le cadre d’une production plus industrielle, afin de limiter l’impact environnemental de ce produit. Il faudrait toutefois s’assurer que le changement de matériau n’affectera pas la résistance aux contraintes de ces pièces

Vidéo : La transmission du ressort aux engrenages ne fonctionne pas, mais on peut faire tourner manuellement le engrenages, pour un résultat agréable à regarder!

Le prototype imprimé.

6. Conclusion – optimisation – pistes d’amélioration

6.1. Diagramme de Gantt

Voici une représentation de notre organisation et des tâches réalisées en fonction du temps, sous forme d’un diagramme de Gantt.

6.2. Axes d’amélioration :

Nous pourrions imaginer un changement de matériaux pour utiliser un matériau plus écoresponsable que du PLA et du plexiglas.

Dans une perspective d’industrialisation, nous devrions probablement simplifier certaines pièces pour qu’elles soient obtenables en grandes quantités avec des processus industriels. Nous pourrions aussi modifier certaines pièces se ressemblant, pour faire en sorte d’utiliser plusieurs fois la même pièce et rendre la production plus facile et moins coûteuse.

Nous pouvons cependant noter que la plupart de nos pièces seraient déjà obtenables en injection plastique sans avoir à faire de modification.

De plus, nous pouvons toujours essayer de rendre notre ventilateur plus efficace, ou d’améliorer sa durée de fonctionnement. Sur ce point en particulier, il est devenu clair pour nous dans la réalisation de ce projet qu'il est très complexe de faire des produits similaires à ceux auxquels nous sommes habitués sans l'énergie que ces derniers utilisent.

6.2.1 Points positifs : 

Ce projet nous a permis de comprendre la démarche et les étapes qui composent la phase de prototypage d’un produit. Il nous a permis de découvrir la démarche de conception de l'ingénieur, et d'apprendre de nouvelles compétences : impression 3D, simulations sur CREO…

6.2.2 Points négatifs :

Nous n'avons pas réalisé un grand nombre de calculs d'ingénierie, comme nous aurions dû, peut-être. Cependant, le but de ce projet était de nous faire découvrir la démarche de conception de l'ingénieur. En cela, notre travail est déjà conséquent.

Par ailleurs, tout particulièrement, nous aurions pu essayer de modéliser le débit d’air généré par la rotation de l’hélice, mais ce sont des modélisations très complexes.