le squelette fonctionnel, le liant des enseignements techniques en
Post on 05-Jan-2017
219 Views
Preview:
TRANSCRIPT
21ème
Congrès Français de Mécanique Bordeaux, 26 au 30 août 2013
1
Le squelette fonctionnel, le liant des enseignements
techniques en IUT
V.Blancharda
a. IUT GMP Bordeaux1, 15 rue Naudet CS10207, 33175 Gradignan cedex
Résumé :
La conception est la discipline qui regroupe tous les enseignements techniques et scientifiques. Les
étudiants1 doivent mobiliser des apprentissages pour lesquels ils n’ont pas de recul sur un laps de
temps assez réduit. La réponse au besoin de l’étude de conception d’un coté et la quantité de
connaissances très importante à mobiliser d’un autre coté bloquent les étudiants. Ils se retrouvent très
vite perdus, ne sachant pas comment commencer l’étude.
L’objectif de cet article est de proposer une méthodologie permettant d’amener l’étudiant ou le
groupe d’étudiants à fournir une solution technologique fonctionnelle répondant à un cahier des
charges.
Abstract :
The design is the discipline which concentrates all the technical and scientific educations. The
students have to mobilize learnings for which they have no maturity on a short duration, the duration
of the study of design. The answer to the needs for the study of design on one side and the quantity of
information, knowledge to be mobilized, very important on the other hand block the students and they
find themselves very fast lost, not knowing how to begin the study. The objective of this article is to
propose a methodology allowing to bring the student or the group of students to supply a functional
technology solution answering a need or a specifications.
Mots clefs: conception, CAO, squelette fonctionnel, pédagogie, méthodologie, modeleur 3D,
feuille de calculs
1 Recentrage des objectifs
La solution finale totalement aboutie en réponse à une problématique souvent générale de conception
ne peut pas être objectivement demandée. Aussi, la solution à notre problème sera attendue en termes
de solutions techniques fonctionnelles. Ceci pouvant servir de base pour les enseignements métiers2.
Dans ce cas là, la conception est repositionnée dans le processus d’apprentissage. Ce n’est plus une
finalité mais un commencement. Les pièces définies fonctionnellement seront alors réutilisées pour
une définition plus aboutie lors des apprentissages de fabrication ou analysées lors des apprentissages
de métrologie.
2 L’organisation de la pensée, la structuration du travail
Le besoin est la plupart du temps exprimé en termes de fonctions. L’analyse fonctionnelle nous donne
une discrétisation du besoin en fonctions techniques à concevoir. Le travail de conception, au sens
enseignement IUT, commence alors.
Par soucis de continuité et de logique intellectuelle, toute l’étude de conception se fera dans la
maquette numérique. Il y a deux intérêts à regrouper le travail sur un même support numérique :
- Cela rassure les étudiants et le syndrome de la « page blanche » est vite évacué.
1 IUT GMP de Bordeaux1 (première et deuxième année)
2 Fabrication, production et industrialisation
21ème
Congrès Français de Mécanique Bordeaux, 26 au 30 août 2013
2
- Cela facilite les allers-retours entre les différentes phases du développement de l’étude (calcul,
forme, cotation, simulation).
2.1 Du cahier des charges aux principes de solutions technologiques
Prenons le cas de l’étude suivante Figure 1, réalisée en début de semestre 2.
Figure 1 - Eléments du cahier des charges servant à définir le travail à réaliser en conception
À ce stade de l’apprentissage et suivant l’avancement de l’analyse fonctionnelle, un schéma de
solutions peut commencer à apparaitre, comme présenté figure 2. On est encore loin de la définition de
la solution. Les seuls mouvements relatifs et actions mécaniques sont exprimés.
Classiquement, les étudiants sont capables de définir des schémas technologiques répondant aux
fonctions techniques. Cela met en place les composants standards (non dimensionnés) et les pièces qui
seront utilisés. Bien évidemment, au cours de la conception, ces schémas vont évoluer, mais les grands
principes de solution sont arrêtés.
Figure 2 - Schéma technologique de principe répondant au besoin
Chaque fonction technique fait référence à des points spécifiques vus lors de séquences pédagogiques
antérieures. Le choix pédagogique du support est primordial, son degré de difficulté doit être en
adéquation avec le niveau technologique des étudiants.
Ces schémas de principe peuvent alors être retranscrits en schémas technologiques dans la maquette
numérique sous forme de squelette (Figure 3) : l’ossature de la maquette numérique. C’est sur ces
FS1 : Déplacer la charge
Masse Vitesse de translation Longueur de guidage longitudinale transversale
M=500 kg V=0,25 m/s Ll=7,92 m Lt=7,32m
Maxi Maxi F0 F0
FT10 : Guider en rotation les galets
Largeur bande de roulement du rail Galet en DELRIN Module d’Young Limite élastique Coefficient de Poisson
L = 21.5 mm E = 3,5 GPa Rp 0,2 = 65 MPa u = 0,4
+/- 0,5mm F0 F0 F0 F0
FT11 : Guider en translation le chariot
Nombre de galets Empattement Longueur de passage du rail Effort résistant
4 2xDgalet 35 mm F = 50N
F0 F1 +/- 1mm +/- 10%
FT20 : Maintenir la platine
Nombre d’axes de maintien 2 F0
21ème
Congrès Français de Mécanique Bordeaux, 26 au 30 août 2013
3
schémas que le l’essentiel de l’activité de conception est concentré [1], il s’agit de remplacer le
traditionnel dessin sur table (2D) et de le réaliser sur maquette numérique.
Figure 3 - Schémas technologiques associés
au schéma de principe relatif à la fonction
technique « guider les galets en rotation »
Figure 4 - graphe des contacts associé au schéma
technologique retenu
Le schéma de principe est un outil visuel qui aide vraiment les étudiants à concevoir les liaisons et
donc l’assemblage des différents éléments (pièces ou éléments standards). Cependant le
dimensionnement des pièces n’est à ce stade pas évident pour eux. L’utilisation d’un autre outil va leur
faciliter la tâche : le graphe des contacts [3].
2.2 Du schéma de principe au pré-dimensionnement
L’essentiel du travail en conception en IUT GMP est la conception de liaisons qui débouchera sur le
dimensionnement des pièces et la définition de ces dernières.
A partir du schéma de principe et des solutions de liaisons, l’étudiant établit un graphe des contacts
comme celui représenté sur la figure 4. Ce graphe des contacts est l’outil « charnière » de toute
l’étude. En effet, c’est sur ce dernier que sont définis (Figure 5):
- Les paramètres de conception (cotes pilotant la maquette numérique). Ces paramètres peuvent
être calculés, choisis ou imposés.
- Les paramètres de calculs (grandeur permettant de quantifier les paramètres de conception).
- Les règles de conception utilisées pour calculer les paramètres de conception.
- Les conditions fonctionnelles géométriques. La condition est exprimée sur schéma puis
retranscrite sur le graphe, permettant de mettre en évidence les pièces participant à cette
condition.
- Il faudrait retrouver les termes employés précédemment comme paramètre de conception,
paramètres de calcul.
Figure 5 - Détail de la pièce « Galet ». Mise
en place des règles de conception
Figure 6 - Extrait de la feuille de calcul reprenant les
règles de conception
STB: Résister à la pression de matage
Contact galet -rail - dimensionnement à la pression de matage (cf contact linéique)
P(N) 1250 D(mm) 80 A ne pas modifier
galet largeur(mm) 20 Paramètre de conception
E(Gpa) 3,5 Delrin rail Valeur imposée
Re(Mpa) 65 E(Gpa) 200
poisson 0,4 Re(Mpa) 250
Pression de matage poisson 0,35
pression linéique (N/mm) 62,5
Croue(mm-1) 0,025
Crail(mm-1) 0
kroue 7,63944E-05
krail 1,39658E-06
b 0,881991821
Pm(Mpa) 45,11236364
Critère de résistance au matage
(0,3)Pmx2 27,06741818 OK pour le galet OK pour le rail
sécurité 2,4 9,2
STB: Guider en rotation les galets
Dimensionnement des paliers lisses - Pmax, Vmax et Pvmax
P(N) 625 L(mm) 12
Nroue(tr/min) 59,68310366 D(mm) 16
d palier lisse(mm) 14 e collerette(mm) 1
V(m/s) chariot 0,25 Type de palier Permaglide1
pression(Mpa) 3,3 Pmax(Mpa) 250 ok
Vt(m/s) 0,065625 VtMax(m/s) 2 ok
PV(Mpa.m/s) 0,2 PVMax(Mpa.m/s) 1,8 ok
Dimensionnement des paliers lisses à la durée de vie - constructeur INA
Lh souhaitée(h) 3100 L(mm) 12
Température d'urilisation(deg celsius) 25,0 D(mm) 16
p(Mpa) 3,3 e collerette(mm) 1
v(m/s) 0,1 Type de palier Permaglide1
Rugosité Rz(microm) 4
fA 2,0
fP 1,0
fV 1,0 Lh(h) 3059,591962
fmu 1,0
fw 1,0
fR 0,6
(deg)
21ème
Congrès Français de Mécanique Bordeaux, 26 au 30 août 2013
4
Le lien entre le graphe des contacts, les calculs et le pré-dimensionnement associé est fait par la feuille
de calcul (Figure 6). En déviant une fonctionnalité de tous les modeleur 3D qui est la création de
familles de pièces, on peut lier la feuille de calcul à la maquette numérique.
2.3 Du graphe des contacts à la maquette numérique
La démarche montre un lien fort entre l’analyse fonctionnelle et le schéma technologique. En effet, les
étudiants associent la conception à la réalisation d’une fonction technique ; il faut donc intégrer ce lien
dans la maquette numérique. La première action à mener est la réalisation du graphe des contacts pour
la fonction à concevoir.
Chaque élément technologique constituant la fonction devra faire référence à des éléments de la
maquette numérique, que ce soient des pièces, des fonctions solides ou surfaciques ou même des
paramètres de conception.
La création de la maquette numérique doit se penser en amont de l’étude de conception. Ainsi, l’étude
et la définition des formes seront entièrement présentes dans cet espace numérique. La maquette n’en
sera que plus robuste.
La solution retenue à l’IUT pour lier le pré-dimensionnement et le dessin de la solution est le squelette
fonctionnel paramétré [6]. Le squelette est une méthode qui est déjà bien connue et très répandue dans
les bureaux d’études, mais qui peut vite devenir très complexe pour les étudiants. Aussi, dans
l’objectif de simplifier au maximum, ils réalisent un squelette qui est le dessin technique de la solution
finale. Cela permet de :
- Limiter le nombre de paramètres.
- Mettre des règles de conception liant des paramètres directement dans le squelette. Comme
par exemple, l’implantation minimale d’une vis, la hauteur d’un centrage court, etc…
- Valider certaines conditions fonctionnelles. Comme par exemple, le non contact de l’arbre
dans le rail dimensionnant la profondeur du lamage (Figure 3).
Chaque paramètre de conception doit être lié à la feuille de calcul et rangé dans la maquette numérique
de façon à pouvoir s’y retrouver rapidement. Un des problèmes de cette méthodologie est la gestion du
nombre important de paramètres, cela oblige les étudiants à être rigoureux.
Un des avantages est l’interdépendance entre la feuille de calcul et la maquette ; elle permet à
l’étudiant de modifier ou d’optimiser sa solution très simplement et rapidement.
La création de ce squelette et de la feuille de calcul qui pilote les paramètres, pilotant eux-mêmes la
maquette, représente 80% du travail. En effet, la création des volumes se fait en s’appuyant sur le
squelette (Figure 7).
Figure 7 - Maquette numérique fonctionnelle qui s’appuie sur le squelette
Chaque pièce est constituée d’un corps de pièce reprenant les éléments solides ou surfaciques
directement issus du squelette nommé « pièce fonctionnelle » [2], puis d’un corps de pièce reprenant
les méthodes de fabrication associées au procédé. D’ailleurs les pièces sont revues et corrigées dans
les enseignements de fabrication en termes de définition du brut. (Figure 8).
21ème
Congrès Français de Mécanique Bordeaux, 26 au 30 août 2013
5
Figure 8 - Déclinaison de la pièce fonctionnelle vis-à-vis du procédé utilisé pour réaliser la pièce ici
La maquette est réalisée pour la conception. En effet, tout est lié au squelette fonctionnel, et il n’y a
donc aucune contrainte d’assemblage. A priori, cela ne permet pas la simulation cinématique et
dynamique. Pour une telle étude, il faut refaire une maquette dédiée à la simulation, en reprenant les
ensembles de pièces et en les assemblant via des contraintes d’assemblage. La modification de la
maquette dédiée « conception » entraine la modification de la maquette dédiée « simulation ».
En revanche, la maquette dédiée « conception » peut servir pour des études statiques et vibratoires
s’appuyant sur les éléments finis, et aussi, pour tout ce qui est optimisation de paramètres ou plans
d’expériences [5].
3 La maquette numérique, le « couteau suisse » du concepteur
Bien souvent les mécanismes à concevoir ne sont pas immobiles et nécessitent une maitrise des
courses et déplacements des pièces. Or, cela ne peut se valider que lorsque le mécanisme est
totalement conçu. Le squelette présenté précédemment ne peut donc pas répondre à cette spécification.
Aussi, l’étudiant peut créer un autre squelette qui reprendra les éléments fonctionnels de tout le
mécanisme et qui sera mis en mouvement directement dans une esquisse. Les contraintes d’esquisses
reprennent les degrés de liberté des liaisons.
Cette approche est très utile en bureau d’étude pour déterminer une loi entrée-sortie ou pour faire une
étude statique ou dynamique graphique. Une telle utilisation du modeleur 3D n’est pas naturelle pour
les étudiants, ce n’est qu’au bout de deux ans qu’ils comprennent qu’on peut faire vraiment autre
chose que de la 3D.
Figure 9 - Tracés de mécanique pour résoudre un équilibre
La chaine numérique est actuellement au centre de notre enseignement technique et la maquette
numérique ne devient plus seulement l’outil du concepteur [4] mais également celui du métrologue,
du mouliste, de l’usineur, du programmeur de robot, et autre, comme le montre la figure 10 déclinant
les différents procédés de fabrication d’une pièce issue du chariot présenté figure 7.
Pièce fonctionnelle - usinée Déclinaison de la pièce
fonctionnelle en pièce moulée
Déclinaison de la pièce
fonctionnelle en pièce forgée
21ème
Congrès Français de Mécanique Bordeaux, 26 au 30 août 2013
6
Simulation de détourage, d’une pièce du chariot,
faite par robot
FAO d’une pièce du chariot
Figure 10 – Utilisation de la pièce lors des apprentissages métiers
4 L’appropriation de la méthode par les étudiants
Le choix des solutions étant retenu dans son principe, deux voies s’offrent aux étudiants :
- Dimensionner les paramètres de conception : choisir les éléments standards, choisir les
matériaux et procédés associés aux pièces. Puis réaliser le dessin de la solution en s’appuyant
sur ce qui a été calculé.
- Commencer le dessin de la solution en faisant appel à leur « bon sens ». Mettre en avant les
problématiques du choix dimensionnel, puis calculer les paramètres de conception.
Un étudiant au profil plutôt « scolaire » aura tendance à choisir la première approche, au contraire
d’un profil d’étudiant plutôt « concepteur ». En pratique, il est rare de rencontrer ces profils extrêmes.
Les étudiants sont plutôt à mi-chemin des deux et le va et vient permanent de la méthode les aide soit à
conceptualiser soit à matérialiser leur étude.
Utiliser ce type de support pédagogique permet aux étudiants de décloisonner les enseignements
techniques et scientifiques. Le modeleur et la méthodologie utilisés permettent leurs permettent de
réfléchir sur la pertinence d’un modèle, sur la fabrication d’une pièce vis-à-vis d’une fonction
technique étudiée, sur un choix de matériau cohérent avec l’environnement de fonctionnement.
La diminution du volume horaire dédié aux enseignements techniques et à la conception en
particuliers, pousse à repenser les objectifs finaux de la formation. Aussi, il me semble bien plus
pertinent de concentrer les efforts pédagogiques sur une méthode qui fait le liant des enseignements
techniques. Cette pratique oblige les étudiants à positionner leur étude dans la phase de développement
du mécanisme (pré étude, définition, production etc.). Les étudiants adhèrent rapidement à cette
méthode, et acquièrent une autonomie dans la recherche d’informations, de documentations
techniques.
Références
[1] R.HASLAUER, Catia V5 – design process in practise
[2] C.FOUCAULT, Impression 3D: le fichier CAO devient pièce fonctionnelle, Industrie &
Technologies, mars 2012.
[3] A.BALLU, L.MATHIEU, Choice of functional specifications using graphs within the
framework of education, 6th CIRP seminar on Computer Aided Tolerancing, pp. 197-206,
Twente, Pays-Bas, mars, 1999
[4] P.MORENTON, Cao : Logiciel Catia, Techniques de l’ingénieur, Réf. BM5019, juil. 2006
[5] R MACULET, M DANIEL, Conception, modélisation géométrique et contraintes en CAO,
Rapport de Recherche LSIS-2003-005
[6] M.SEHYUN, SOONHUNG H., Knowledge-based parametric design of mechanical products
based on configuration design method, Expert Systems with Applications, Volume 21, Issue
2, Pages 99-107, August 2001
top related