Goodies INSA

GOODIES INSA

Projets S6 – Du concept au prototype

 

 

Clément MEMIN et Sélim BELKHAM

PL3

 

Sommaire 

 

1. Introduction

2. Organisation

3. Choix d'un projet

    A. Première ébauche

    B. Choix rigoureux

    C. Nom du clip

4. Analyse avec la méthode TRIZ

5. Réorientation du projet

6. Modélisation et conception 

    A. Recherches

    B. Essais

    C. Cavité

    D. Pattes

7. Prototype final ?

8. Continuité

9. Conclusion

 

1. Introduction

 

Dans le cadre du projet S6 en plasturgie, nous avons choisi de réaliser un goodies pour l'école d'ingénieur ESIREIMS. L'école nous donnait carte blanche pour réaliser leur goodies. Toutefois, quelques conditions devaient être réunies :

• Le goodies doit être injectable, de préférence en monomatière sur une presse BOY 22A.
• Le goodies doit rappeler la région Champagne, l'école et la ville de Reims. 
• Le projet se doit d'être innovant.

Nous avons alors relevé le défi qui se présentait à nous.

 

2. Organisation 

 

Nous avons, pour réaliser notre projet, séparé notre temps en plusieurs grandes phases : une phase de recherche de projet, une phase de recherche en lien avec le projet choisi, puis une phase de conception et de prototypage. Ci-dessous, vous retrouverez toutes les étapes en question, sous forme de diagramme de GANTT.

figure 1 : diagramme de GANTT

 

3. Choix d'un projet

 

A. Première ébauche

Choisir un projet n'a pas été chose simple. Nous avions commencé un projet portant sur un bec verseur. Or, celui-ci a vite été abandonné. En effet, il n'avait pas été correctement étudié, celui-ci nous paraissait assez difficile à mettre en place. Il est donc délicat de choisir un projet lorsque nous avons carte blanche.

 

B. Choix rigoureux

Nous avons donc réalisé un tableau afin de choisir plus convenablement le meilleur projet, en affectant des notes selon plusieurs critères. Voici ledit tableau : 

figure 2 : choix d'un projet

 

Nous avons alors choisi de réaliser un clip pour flûte à champagne. Le projet nous semblait être le plus approprié pour plusieurs raisons : 

• Peu de clips remplissant cette fonction existent.
• Des améliorations innovantes pourraient être apportées.
• Il y a un lien direct avec l'école et la région.
• Il y a un intérêt lors des réceptions.

 

C. Nom du clip

Après avoir fait plusieurs recherches, nous avons décidé de nommer notre produit "Clip Wein", ce qui se traduit littéralement par "Clip Vin". Le nom est parlant, simple à retenir et rappelle directement la région Alsace. De plus, il se transporte même dans les pays germaniques.

 

4. Analyse avec la méthode TRIZ

 

La méthode TRIZ nous a permis d’avancer sur notre projet. Cette dernière, reposant sur des milliers et des milliers de brevets, a été d’une grande aide pour nous guider. Les 40 principes innovants de la méthode nous permettent ensuite de trouver des solutions qui répondent à nos attentes.

La première étape était de réaliser un graphique de problèmes et de solutions. Pour chaque problème, une ou plusieurs solutions pouvaient découler. Cela nous a permis de mettre en exergue plusieurs problèmes comme la forme du trou du clip ou encore la matière utilisée. Enfin, à chaque problème, un paramètre a été associé afin de pouvoir constituer par la suite nos contradictions. 

Voici ledit graphique : 

figure 3 : graphique des problèmes

 

Toutefois, la méthode ne prend pas en considération les points de vue esthétique ou éthique aussi bien que le point de vue technique. Nous allons alors mêler cette méthode avec des méthodes plus expérimentales, reposant sur l’empirisme. En effet, dans notre projet, cette méthode sera la plus appropriée.

Après avoir tracé nos graphiques et placé des paramètres, il nous faut résoudre les contradictions associées. Voici quelques exemples concrets : 

 

figure 4 : contraction sur le maintien

 

figure 5 : contradiction sur le maintien du verre 

 

Cet exemple pertinent montre la difficulté de résoudre un problème sans outil adéquat. Pour remédier à ce problème, nous avons donc proposé d’utiliser le principe n°3 : qualité locale afin de modifier les paramètres directement en lien avec le maintien du verre.

 

5. Réorientation du projet 

Avant de poursuivre nos recherches, une visioconférence avec l'école ESIREIMS a été organisée afin de faire part de notre avancement. Nous devions présenter notre projet, en expliquant nos choix et nos démarches. Cependant, bien que l'école ait appréciée notre projet, il n'était pas pertinent de le mettre en place pour plusieurs raisons : 

- L'école a une politique zéro goodies, ce qui nous oblige à travailler avec des produits biodégradables et "utiles".

- La flûte ou le verre à vin ne sont pas utilisés. Ce sont les blidas qui sont au cœur des cocktails. Il s'agit de verres de forme cylindrique et sans pied.

- Lors des cocktails, il n’y a pas d’assiette. Cela signe définitivement la fin de l’intérêt de notre projet.

Or, nos professeurs ont décidé de reprendre le projet pour l’école. Cette fois-ci, c’est la région Alsace qui en est au cœur. De plus, la presse utilisée pour l’injection sera plus puissante. Il s’agira d’une BOY 35E, avec une force de verrouillage de 350 kN. Nous avons, de plus, souhaité nous étendre à davantage de types de verres à vin, et pas uniquement les flûtes.

 

6. Modélisation et conception

 

A. Recherches

Pour commencer, plusieurs recherches ont été menées. Nous devions cibler trois types de contenu : 

• Les formes des assiettes les plus courantes.
• Les verres les plus courants en Alsace lors des cocktails.
• Des modèles de clip déjà existant pour effectuer une analyse.

 

Les clips : 

4 modèles de clips ont été trouvés : 3 en plastique et 1 en métal. Cela nous a permis de connaître les différentes caractéristiques les plus importantes, telle que l’épaisseur, la forme des trous…

(Des photos plus intéressantes seront montrées plus tard)

 

Les assiettes : 

Plusieurs modèles d’assiettes ont été sélectionnées. Nous devions les choisir en prenant garde à avoir des propriétés proches, comme le diamètre de l’assiette (donc le rayon de courbure), l’épaisseur ou encore la hauteur. 

figure 6 : sélection des assiettes

 

Les verres : 

Les modèles de verres les plus pertinents ont été choisis. Ceux avec des formes extravagantes ou de grandes tailles ont été écartés. Toutefois, tous les modèles ne figurent pas dans le tableau (la variété étant assez grande). Des verres avec des propriétés similaires sont aussi pris en compte.  

figure 7 : sélection des verres

 

B. Essais

Maintenant que nous possédons toutes les informations essentielles, 2 premiers prototypes déjà existants ont été testés : 

figure 8 : prototype 1

 

figure 9 : prototype 1

 

Les premiers essais ont prouvés que le premier prototype était meilleur en tout point : 

• Meilleur maintien des assiettes (grâce à une ouverture plus large).
• La plupart des verres sont correctement maintenus.
• Des épaisseurs plus constantes.
• Aucune contre dépouille.

 

Nous allons donc partir de ce modèle pour concevoir notre propre clip.

Pour ce faire, il était nécessaire de scinder le travail en deux parties : 

• L’un travaille sur les pattes du clip.
• L’autre travaille sur le trou du clip.

   

C. Cavité

Pour réaliser un trou le plus polyvalent, des verres ont aussi été modélisés sur PTC CREO. 

figure 10 : verre INAO créé sur CREO à partir des dimensions

 

Ensuite, un premier prototype a été imprimé en 3D. Or, c’est trop fin et on ne peut pas le caler pour faire des essais. Il va être réimprimé avec une épaisseur plus forte et des pattes pour le maintenir. Il nous faut voir si la forme est déjà bien compatible avec la plupart des verres sélectionnés.

 

figure 11 : prototype réimprimé

 

Propriétés : 

• Epaisseur moyenne = 2 mm
• Angle du cône = 77,85 ° (imposé par les diamètres haut et bas)
• Dhaut = 36 mm
• Dbas = 15 mm
• Matière : PLA
• Hauteur = 13 mm

 

Plusieurs des verres énumérés en haut ont fait l’objet d’un essai. Ceux-ci sont concluants, comme les montre l’exemple ci-dessous : 

figure 12 : verre INAO testé

 

Prenons le verre INAO pour exemple. Ici, le maintien est excellent. Placer le verre dans le trou est facile (un chanfrein d'accostage sera tout de même réalisé pour encore plus de confort), le verre glisse assez peu et ne risque pas de sortir. La fente est donc de largeur parfaite. Un autre prototype avec des épaisseurs plus importantes et un cône plus long a été imprimé, mais il n’a pas été satisfaisant et ne mérite pas sa place dans notre rapport.

En effet, une fente de 9 mm de large a été créée pour s’adapter à tous les verres existants (pour les insérer). Cela a été concluant avec les autres modèles.

Notons toutefois que le maintien est légèrement moins efficace avec les flûtes (14 cl ou 16 cl) car la calice est plus fine. De plus, nous aimerions limiter le glissement. Nos verres ont été essayés vides, mais n’oublions pas qu’ils seront pleins lors des cocktails.

Afin d’intégrer le plus de verre possible, notamment le modèle INAO, nous validons le modèle du clip rouge (voir les propriétés). Il s’agit du clip avec le trou le plus polyvalent. Il ne nous reste plus qu’à trouver la matière adéquate, ainsi qu’à assembler les pattes dessus, puis à vérifier le tenu de clip avec un verre rempli. Après cela, des ajustements seront à faire.

 

Justement, se présente à nous deux solutions possibles pour améliorer le trou du clip : 

• Essayer de jouer avec deux angles de cône.
• Concevoir le clip avec deux matières différentes.

 

Choix matière : 

Avant de poursuivre notre étude, il nous fallait choisir un matériau. Le PLA s’est vite distingué, pour ses propriétés mécaniques, sa biodégradabilité (bien que cela ne soit plus utile maintenant) ou encore, ses propriétés alimentaires.

figure 13 : choix de la matière

 

Deux angles de cône : 

Maintenant, nous pouvons nous concentrer sur la première option. Nous avons essayé avant cela, une assiette de cocktail pour poser un verre à vin : 

figure 14 : flûte essayée sur l’assiette

 

Ici, une flûte de taille moyenne a été essayée. Elle est plutôt bien maintenue. Or, tous les autres verres à vin le sont beaucoup moins. Le plus gros problème rencontré, est encore une fois le glissement. En effet, rien ne maintient le pied. D'où la solution d’un double cône.

Nous n’avons pas réussi à proposer un modèle convenable. Celui-ci est trop gros et ne fonctionne pas du tout. Il risquera de déstabiliser l’assiette. Une autre option a été proposée, maintenir uniquement le pied du verre : 

figure 15 : trou maintenant le pied et le bas de la calice

 

La aussi, cela semble être une bonne solution, mais uniquement pour un seul modèle de verre.

Jouer sur deux angles de cône n’est pas la solution la plus pertinente et de loin. Nous pensons alors qu’il serait plus intéressant de jouer sur la déformation du matériau. Or, dans cet état, le PLA est beaucoup trop rigide.

 

Concevoir le clip avec deux matières différentes

C'est ici que va entrer en lice un concept innovant tout droit venu de la méthode TRIZ. Afin de cibler notre problème, à savoir maintenir le plus de verres possible sans glissement, nous avons exploité le principe 3 de TRIZ : qualité locale. L’idée est de changer un paramètre physique ou de spécialiser les différentes parties du Clip Wein. Nous allons combiner les deux parties.

Notre principale idée est de conserver le diamètre supérieur du trou, car celui-ci permet de caler n’importe quel verre. Néanmoins, le cône sera réalisé par une matière différente. Nous pourrions envisager un élastomère, assez souple pour se déformer, mais suffisamment rigide pour le maintenir. Notre inspiration vient d’un goodies, utilisé pour maintenir des bouteilles d’eau en PET. Voici ledit objet : 

figure 16 : inspiration

 

Nous avons alors tenté de modéliser un clip avec une technologie similaire. Or, nous avons plusieurs problèmes : 

• La partie rigide a mal été imprimée.
• La partie flexible est beaucoup trop flexible.
• L’assemblage n’est pas possible (manque de temps pour réfléchir à la technique).
• Nous devons nous procurer un élastomère répondant à nos attentes.

 

Ainsi, nous vous proposons une modélisation sur CREO, qui vous donnera une idée du prototype que nous souhaitions mettre en place.

figure 17 : aperçu du prototype

 

Comme il est possible de le constater, celui-ci est conçu de manière grossière, sans avoir pensé à caler proprement la membrane. Or, l’idée est là et est à exploiter. Les pattes présentent ne sont là que pour caler le trou au bord d’une table afin de faire des essais.

   

D. Pattes

Pour cette étude j’ai commencé par étudier l’existant :

            

figure 18 : aperçu des pattes

              

Nous retrouvons plusieurs problèmes :

• Arêtes vives.
• Epaisseur non constante.
• Surface fonctionnelle peu optimisée.

 

Nous allons dans notre étude, nous pencher sur l’implantation de solutions techniques pour optimiser la partie assiette / clip. Dans un premier temps, trions les assiettes les plus utilisées lors de réceptions et buffets afin d’avoir les cotes optimales pour les pattes. Une étude des dimensions des assiettes nous permet d’aboutir à un tableau Excel présenté ci-dessous :

figure 19 : choix des assiettes

 

On y retrouve 6 types d’assiettes de dimensions différentes.

figure 20 : Caractéristiques principales

 

En faisant une moyenne, nous pouvons avoir une idée des dimensions d’une assiette standard que nous pouvons représenter sur CREO : 

figure 21 : modélisation d'un assemblage clip / assiette

 

Par la suite, nous pouvons alors grâce à ces mesures, faire la conception de la partie pattes sur CREO. Notre premier prototype a alors été imprimé.

 

figure 22 : premier prototype de pattes

 

Ce clip a l’avantage de supprimer le problème d’arête vive et d’avoir des formes plus arrondies et est donc plus apte à être injecté. Cependant, suite à des essais, nous avons quelque chose de plus fragile, due à des épaisseurs plus fines à certains endroits, créant des zones sensibles. Mais, cela est aussi dû à l’impression 3D car l’impression fait que les fibres sont imprimées perpendiculairement à l’axe de symétrie ce qui rend le clip très fragile (voir photo).

 

figure 23 : échantillon des pattes inférieures

 

Nous observons une coupe très nette dans le sens des fibres, ce constat sera un problème qui nous suivra tout au long de notre étude. Par la suite, pour régler le problème de fragilité nous avons décidé de rajouter des nervures à l’endroit fragile pour consolider les endroits importants. Toutefois, n'oublions pas que notre clip sera injecté, et non imprimé en 3D.

figure 24 : nervures rajoutées

 

De plus, vous remarquerez une section "diamètre d’assiettes moyen" sur notre Excel, précédemment présenté. Ce paramètre a été pris en compte dans notre CAO pour donner à notre clip une forme qui créé une symbiose avec toute les assiettes présentées. Notre deuxième prototype a pour objectif d’intégrer le principe 3 de TRIZ « Qualité locale ». En effet, l’idée est d’agir localement pour améliorer ici les surfaces fonctionnelles.

figure 25 : structures lattices ajoutées aux pattes

 

Dans un premier temps nous avons donc créé via la CAO, une forme 2,5D de structure lattice supposée se déformer lors de la mise en place avec l’assiette, et donc améliorer les surfaces fonctionnelles. Ces structures ont été imprimées en PLA comme l’ensemble du clip afin d’avoir une pièce monomatière comme notre cahier des charges nous l’impose. De plus, nous avons fait attention à garder une forme qui puisse être injectée, donc avec une épaisseur de minimum 1mm. Nous remarquons avec des essais, que la structure ne se déforme pas assez. Cela s'explique par la rigidité du matériau.

Ce nouveau problème nous a amené à la réflexion d’un changement de matériau pour certaines surfaces. En effet, la bi-injection PLA-Silicone (ou un autre élastomère) pourrait nous permettre de régler ce problème et de garantir un bon contact entre le clip et l’assiette. De plus, Clément, de son coté a expérimenté la même chose pour la partie cavité. Nous pourrions donc, dans la suite de cette étude, envisager de créer une version de clip incluant cette méthode d’injection.

 

7. Prototype final 

Nous n’avons pas eu le temps de concevoir un prototype final convenable. Néanmoins, nous avons maintenant tous les éléments à notre disposition pour proposer de nombreuses pistes d’amélioration.

 

8. Continuité

Plusieurs recherches, plusieurs essais et propositions ont pu être faits durant ce projet. Le clip en monomatière, de couleur rouge nous semble très polyvalent au niveau de la forme de trou. Les pattes, qui étaient fragiles, sont encore à revoir. Une fois ces problèmes résolus, nous aurons un objet fonctionnel et s'adaptant à de nombreuses applications (verres, assiettes). La proposition d’un clip en deux matières est à explorer. Pour résumer, voici les pistes à suivre pour améliorer le projet : 

• Pour les pattes, les structures latices ne sont pas forcément si intéressantes. Des pattes épaisses (pour la résistance) mais flexibles seraient la meilleure option pour assurer à la fois le maintien du clip, sa polyvalence sur les modèles d'assiettes et sa résistance.
• Le trou en monomatière est fonctionnel, mais les verres ont tendance à glisser. Nous pourrions jouer sur la rugosité du cône afin de limiter ce phénomène.
• Le trou en deux matières est à explorer davantage. Il nous faudrait choisir l’élastomère le plus approprié (souple, résistant) et le système d’implantation le plus ingénieux possible.
• Les formes assez carrées, que nous pouvons observer sur les prototypes, assurent finalement la résistance du clip. Il faudrait les adoucir, tout en conservant les propriétés mécaniques de notre objet.
• La décoration s’obtiendrait plutôt par un procédé externe (tampographie, gravure) pour avoir plus de liberté quant à la modélisation d’un modèle résistant. Bien sûr, si l’on peut se permettre, nous pourrions essayer d’approcher une forme qui évoque la région sans détériorer les performances du clip.
• La liaison trou - pattes est sensible à réaliser. Il faut que le verre soit au plus proche du centre de gravité de l’assiette, tout en assurant la rigidité de l’ensemble.

 

9. Conclusion 

A travers ce projet, nous avons pu développer plusieurs compétences qui nous seront utiles plus tard : 

• La recherche de solutions via d’autres domaines.
• L’expérimentation.
• La capacité à se réorienter après un échec (passage de l’ESIREIMS à l’INSA).
• L’autonomie.

Nous n’avons pas pu aller jusqu’au bout. Or, nous avons déjà pu poser les bases d’un projet qui sera réalisable et utile sur le long terme.