BAC S Sciences de l Ingenieur 2011

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    11SISCME1

    BACCALAURAT GNRALSession 2011

    Srie S option Sciences de lingnieur

    TUDE DUN SYSTME PLURITECHNIQUE

    Dure de lpreuve: 4 heures

    Coefficient : 4

    Le matriel autoris comprend toutes les calculatrices de poches, y compris lescalculatrices programmables alphanumriques ou cran graphique, condition que leurfonctionnement soit autonome et quil ne soit pas fait usage dimprimante, conformment

    la circulaire N99-181 du 16 novembre 1999.Aucun document nest autoris.

    Les rponses seront rdiges sur les documents rponse et sur feuille de copie.Il est conseill de traiter les diffrentes parties dans lordre.

    Imprimante 3D

    Composition du sujet et sommaire :

    Un dossier TEXTE DU SUJET de 12 pages numrotes 1 12 comportant :

    - Prsentation du systme pages 1 3

    - Travail demand pages 4 12

    - Un dossier DOSSIER TECHNIQUE documents DT1 DT5 5 pages

    - Un dossier DOSSIER RPONSE documents DR1 DR4 4 pages

    Conseils au candidat :

    Vrifier que vous disposez bien de tous les documents dfinis dans le sommaire.La phase dappropriation dun systme pluritechnique passe par la lecture attentive de lensembledu sujet. Il est fortement conseill de consacrer au moins 30 minutes cette phase de dcouverte.

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    PRSENTATION DU SYSTME

    1 - Gnralits sur le prototypage

    La mondialisation des marchs associe une concurrence de plus en plus vive a obligles industriels optimiser leurs temps de recherche, de conception et de fabrication desproduits.

    Cest dans ce contexte que le prototypage rapide prend toute son importance : il permet

    aux entreprises de disposer dun outil matrialisant rapidement les produits en cours dedveloppement afin de dtecter au plus tt les erreurs de conception, de tester et de fairevalider par lensemble des intervenants les diffrentes solutions techniques retenues.

    Principe gnral :

    Le produit (pice ou ensemble de pices) est modlis laide dun modeleurvolumique.

    Limpression 3D du modle est lance (remarque : la dure de la productiondpend du nombre de pices raliser, de la quantit de matire utilise, de la complexitdes formes).

    La pice prototype est retire de lenceinte. Suivant les techniques deprototypage, une tape de nettoyage de la pice est obligatoire avant son utilisation.

    2 - Le prototypage rapide par dpt de fil FDM (Fused Deposition Modeling)

    Cette technique consiste faire fondre un fil de matire(gnralement du plastiqueABS plus) traversant unebuse chauffe hautetemprature. Le fil (dediamtre de lordre de 0,25mm) alors en fusion estdpos et vient se coller surce qui a t dpos aupralable.

    La pice est ralisecouche par couche.

    Le FDM est un brevet

    mondial dpos parSTRATASYS.

    La pice est modliseavec un modeleur 3D

    Limpression 3D du modle est lance

    La pice prototypeest ralise

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    La ralisation du prototype ncessite deux matriaux diffrents :- unematire modle (thermoplastique ABS plus) constituant la pice elle-mme ;- une matire support mise en place dans des zones bien prcises lorsquune

    pice possde des volumes en porte--faux .Cette matire support est soluble (dans un bain de soude). Aprs ce nettoyage,la pice devient donc oprationnelle.

    Ces deux matires sont chacune stockes sous la forme dun fil enroul et log dans une cassette.

    Cassette de la bobine de fil matire support

    Cassette de la bobine de fil matire modle

    Espace deproduction

    Interface de dialogue :pupitre, crans,

    Aspect gnral de la machine de prototypage rapide (imprimante 3D) tudie : UPRINT

    Pice avec support

    Pice nettoye du support

    Volume en porte--faux

    Matire support

    Bobine de fil

    Cassette

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    3Prsentation dtaille de limprimante 3D UPRINT

    Cette imprimante est distribue en France par la socit CADVISION. La documentationtechnique DT1, DT2 et DT3 prsente le systme.

    Pour dposer le fil sur le plateau, trois mouvements sont ncessaires. Ils sont indiqus surla reprsentation simplifie en perspective du document DT1 (une translation du plateausuivant la direction z

    et deux translations de la tte dimpression suivant les

    directionsx

    ety

    ).

    La tte dimpression (voir les perspectives du document DT2 et le document DT3)possde trois configurations de fonctionnement.La configuration initiale sactive la mise sous tension de la machine. La barre decommande 10 est centre par rapport au coulisseau 1 (voir DT3). Du fait de lexistencedun jeu entre les galets, le fil modle 12 et le fil support 11 ne peuvent pas tre dplacspar le galet dentranement 5 dans cette configuration.Pour passer en configuration dpose de fil support , la tte dimpression se dplacejusqu une bute situe au fond et gauche de lespace de travail (cf. figure ci-dessous).

    La barre de commande 10 prend appui sur celle-ci, et coulisse par rapport au coulisseau 1(voir DT3). Le balancier 2 pivote grce au galet de rampe 9 qui se dplace dans la rainurede la barre de commande 10. Cette rotation permet, premirement, au galet presseurgauche 4 de plaquer le fil support 11 contre le galet dentranement 5 et, deuximement,dtirer le ressort de traction 6 accroch aux deux leviers 3 et 7. Leffort presseur ainsiexerc sur le fil et la mise en rotation du galet dentranement 5 grce au motorducteur15 et 16 provoquent son dplacement vers le bas. Il passe alors dans une buse 19chauffe par une rsistance chauffante 18 ; il en ressort fondu et prt tre dpos.

    Pour passer en configuration dpose de fil modle, la tte dimpression se dplacejusqu la bute situe au fond et droite de lespace de travail. La barre de commande

    10 y prend appui permettant sa translation dans lautre sens par rapport au coulisseau 1(voir DT3). Le systme se retrouve dans une position symtriquement similaire laconfiguration dpose fil support . Le galet presseur droit 8 plaque le fil modle 12contre le galet dentranement. La tte dimpression est prte dposer du fil modle.

    Le codeur 17 fournit des informations permettant de dterminer le volume de matireconsomme.

    Le document rponse DR1 reprsente le diagramme FAST partiel de la fonction

    principale.

    Bute

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    TRAVAIL DEMAND

    Les problmatiques lies lutilisation et au fonctionnement sont partiellementdcrites ci-dessous.

    Le constructeur envisage de commercialiser une nouvelle version du produit prenant en

    compte les souhaits exprims par les actuels utilisateurs. Ceux-ci sont globalementsatisfaits. Ils constatent nanmoins quelques dysfonctionnements trs occasionnels quisont les suivants :

    1- Le fil ne rentre pas dans la buse de la tte dimpression pour deux raisons principales:1-1 - crasement trop important du fil (le fil trop aplati ne peut plus entrer dans la

    buse) ;1-2 - dsalignement du fil par rapport la buse.

    2- Le fil se casse dans la cassette de stockage. Cette rupture nest pas dtecte parlimprimante qui continue son cycle malgr labsence du fil.

    Ce sujet porte sur des propositions de solutions pour :- assurer leffort presseur (rsolution du dysfonctionnement 1-1) ;- faciliter le rglage de lalignement du fil avec la buse (rsolution dudysfonctionnement 1-2) ;

    - dtecter et grer la casse du fil (rsolution du dysfonctionnement 2).

    1- TUDE DU SYSTME PRESSEUR DU FIL

    Consulter les documents techniques DT2, DT3 et la vue coupe ci-dessous.Il faut assurer un dplacement sans glissement du fil (modle ou support) parrapport au galet dentranement 5. Pour cela, le galet presseur 4 ou 8 doit exercerun effort suffisant sur le fil pour que celui-ci pntre lgrement dans les crans de lagorge du galet dentranement 5. Le ressort de traction 6 est lorigine de cet effortpresseur.

    Par ailleurs, si cet effort est trop important, le fil est cras et ne peut plus rentrer dans labuse, ce qui provoque le coincement du fil.

    Lobjectif de cette partie est de choisir un ressort qui permet dassurer un effortpresseur de 56 N sur le fil, valeur ncessaire et suffisante, estime par retourdexprience.

    Galet dentranement 5 Galet presseur 8

    Buse 19

    Vue en perspective coupe

    Fil modle 12

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    1.1Dtermination de leffort exerc par le ressort 6

    Question 1Sur le document rponse DR1, citer les solutions technologiques qui assurent lesfonctions techniques :

    - FT15 : transformer lnergie mcanique de rotation en nergie mcanique detranslation (entraner le fil en translation) ;

    - FT16 : maintenir le fil en contact avec le galet dentranement.

    Hypothses et donnes (se reporter au document rponse DR2) :- ltude est faite en configuration dpose de fil modle ;- le problme est considr comme plan ;- le poids des pices est nglig ;- les liaisons sont considres comme parfaites.- action mcanique exerce entre le fil modle 12 et le galet 8 :

    direction suivant laxe Ox Ngaletfil 56812 F

    - action mcanique exerce entre le ressort 6 et le levier 7 :direction suivant laxedu ressort.

    Question 2Sur feuille de copie, isoler lensemble S(7 et 8) et faire linventaire des actionsmcaniques extrieures, en vue dune rsolution graphique.

    Question 3Sur le document DR2, en appliquant le Principe Fondamental de la Statique, dterminergraphiquement la valeur numrique de toutes les actions mcaniques extrieures S.

    1.2Choix du ressort de traction 6

    Hypothses et donnes- Voir document technique DT4.- F = k xL avec L = (L-Lo) L : allongement du ressort (mm).

    - NlevierFressort 8076 F (prendre cette valeur quelle que soit celle

    trouve prcdemment).- L = 6,6 mm (valeur due la gomtrie du systme entre la configuration

    initiale et la configuration dpose de fil , voir DT3).- k : raideur (N.mm-1).- L : longueur sous charge F et Lo : longueur libre ( vide) du ressort.

    Question 4Dterminer la raideur du ressort.

    Question 5En dduire le ressort le mieux adapt parmi ceux proposs sur le document techniqueDT4. Indiquer sa rfrence.

    Question 6

    En dduire lallongement quil faut imposer ce ressort pour obtenir leffort demand.Proposer une modification du systme (voir DT2 et DT3) pour obtenir cette valeur au lieude la valeur initialement prvue de 6,6 mm.

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    2- TUDE DE LALIGNEMENT DU FIL PAR RAPPORT LA BUSE

    Si la gorge du galet dentranement 5 nest pas correctement aligne avec la buse, le fil,lors de sa mise en place, peut venir buter contre le bord de la buse et se casser (voir lesdeux figures ci-dessous).

    Remarque : sur les deux figures ci-dessus, les deux leviers et le balancier ne sont pasreprsents afin de faciliter la lecture, de plus le coulisseau est reprsent coup.

    Lobjectif de cette partie est de proposer une solution de liaison entre le galetdentranement et laxe du rducteur pour assurer ce bon alignement lors du

    montage.

    Question 7Proposer une autre solution de principe pour assurer lalignement du fil par rapport labuse et la critiquer par rapport la solution retenue.

    3- TUDE DE LA DTECTION DE LA RUPTURE DU FIL

    Lobjectif de cette tude est de dtecter la rupture du fil, afin dviter que

    limprimante 3D continue son cycle de production sans matire. Dans 99 % descas, la rupture du fil a t constate au niveau de la cassette de stockage.Pour cela, deux solutions seront tudies du point de vue :

    - de lacquisition delinformation;- du traitement de linformation;- de la communication de linformation.

    Fil en bute contre la buse

    Gorge du galetdentranement

    Buse

    Rducteur

    Coulisseau

    Fil align avec la buse

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    Question 8Sur le document rponse DR1, citer les solutions technologiques qui assurent lesfonctions techniques :

    - FT13 : convertir lnergie lectrique en nergie mcanique de rotation;- FT14 : rduire la vitesse de rotation et augmenter le couple.

    Les lments ralisant les fonctions CONVERTIR et TRANSMETTRE de la chanednergie du DT1 sorganisent comme suit :

    avec R : rapport de transmission du rducteur ;et R: rendement du rducteur.

    3.1- Premire solution : dtection de la casse du fil par mesure dune image ducourant moteur

    Question 9 partir de leffort fournir par le galet dentranement et des caractristiques du moteur

    donnes sur le document technique DT4, dterminer la valeur du courant absorb par lemoteur lorsquil fournit un effort suffisant pour entraner le fil.

    RappelCouple moteur CMet courant moteur IMsont lis par lexpression CM = k IMo k est laconstante de couple moteur exprime en NmA-1 (DT4).

    Ce moteur doit tourner dans les deux sens de rotation pour entraner le fil matire modle (sens horaire) et le fil matire support (sens antihoraire). Le schmasuivant permet ce mode de fonctionnement.

    +Vcc = 24V

    Mcc

    0V

    T1

    T2

    T3

    T4

    Emplacement 1

    Emplacement 2

    Galetdentranement

    F

    (250 N)

    Fil

    Moteur lectrique courant continu Rducteur

    Galetdentranement

    Diamtre16 mm

    IM CM CgRfrence118752

    nergielectrique detype continu

    24V

    Effort transmis de250 Navec la

    rsence de fil

    5247

    1R

    R= 0,3

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    Deux emplacements de mesure dimage du courant moteur sont possibles commelindique le schma ci-dessus.

    Loscillogramme suivant donne limage du courant consomm par le moteur en absencede fil.

    Question 10Dterminer la valeur du courant consomm par le moteur en labsence de fil.

    Question 11Complter lalgorithme du document rponse DR3 permettant de mettre en pauselimprimante 3D en cas de rupture du fil.

    3.2- Deuxime solution : dtection de la casse du fil par mise en place de capteur la sortie des cassettes de stockage

    Les fils matire modle et matire support sont en rsine (ABS plus) et opaques.

    Question 12 laide dudocument technique des dtecteurs TOR (DT5), complter le tableau sur ledocument rponse DR3 permettant de comparer trois technologies diffrentes(interrupteur poussoir, interrupteur ILS et optocoupleur).Question 13Le choix sest port sur un optocoupleur. Justifier ce choix.

    0

    Zone dim lantation des ca teurs larrire de la machine

    Cassettes

    Arrire de la machine

    Fil support

    Fil modle

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    Mettre en temprature lenceinte etles filssupport et modle

    Tempratures affiches lcran

    Besoin de filsupport ?

    Tempratures delenceinte et des filssupport et modle

    atteintes ?

    Activer la configuration dpose fil support de latte dimpression

    Activer la configuration dpose fil modle dela tte dimpression

    Dposer du fil

    Dbut

    Pice finie ?

    Fin

    Limprimante 3D dispose dun bloc alimentation permettant de transformer lescaractristiques du rseau EDF 230V, 50Hz en tensions continues qui sont :

    - 120V pour alimenter les rsistances chauffantes ;- 24V pour la partie puissance des actionneurs ;- 5V pour les cartes lectroniques des capteurs et du microcontrleur.

    On souhaite utiliser deux dtecteurs identiques, deux optocoupleurs, lun pour la dtectionde la casse du fil support et lautre pour la dtection de la casse du fil modle . Ilsseront relis aux deux entres du port A (I/O1 et I/O2) du microcontrleur. Cemicrocontrleur est aliment en 5V. Le capteur appel capt supp dtecte la rupture defil support et sera connect lentre I/O1 du microcontrleur, le capteur appel captmod dtecte la rupture de fil modle et sera connect lentre I/O2 du

    microcontrleur.

    Question 14 laide du document technique DT5,proposer un schma de cblage des deux

    dtecteurs en compltant le documentrponse DR3. Pour cela :- reprsenter les symboles des deuxdtecteurs dans les cadres enpointills ;- relier lensemble des dtecteurs des rsistances si ncessaire, lalimentation et au port A dumicrocontrleur de faon obtenir unniveau 1 sur lentre du port A si lacasse du fil est dtecte.

    Linformation casse du fil doit tresignale loprateur.On souhaite afficher lcran de limprimante 3D linformation rupture de fil support si le capteur capt supp a dtect une rupture de filsupport, ou linformation rupture de filmodle si le capteur capt mod adtect une rupture de fil modle. Dans lesdeux cas, il faut configurer limprimante 3Den mode maintenance. Un extrait de

    lalgorigramme du programme principal delimprimante vous est donn ci-contre.

    Question 15Modifier lextrait de lalgorigramme duprogramme principal sur le documentrponse DR4 en intgrant les nouvellescontraintes.

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    3.3- Choix de la solution pour raliser la fonction Acqurir

    Afin de finaliser le choix dune solution parmi les deux dispositifs tudis prcdemment,une contrainte supplmentaire doit tre respecte :aprs la dtection de la casse, il faut quil y ait suffisamment de filen rserve pour que limprimante 3D puisse terminer la couche encours avant de se mettre en mode maintenance.

    Rappel- dispositif 1 : dtection de la casse du fil par mesure

    dune image du courant du moteur dentranement

    - dispositif 2 : dtection de la casse du fil par mise en placede capteur la sortie des cassettes de stockage

    Question 16Lorsque le diamtre du fil est de 1,8 mm, calculer la longueur ncessaire la ralisationdune couche dont la forme est un paralllpipde de 152 mm par 152 mm et dpaisseur

    0,245 mm (dimensions maximales permises par limprimante).Question 17En justifiant la rponse, quel dispositif 1 ou 2, rappels ci-dessus, vous semble le plusappropri ?

    3.4- Communication de linformation rupture de fil travers le rseau Ethernet

    Limprimante 3D est connecte en rseau local de type ETHERNET comme le montre leschma ci-aprs :

    Bureau dtudePC1IP 197.16.3.4Masque255.255.255.0

    Bureau dtudePC2IP 197.16.3.56Masque255.255.255.0

    Bureau dtudePC3IP 197.16.3.72Masque255.255.255.0

    HUBConcentrateur

    4 ports

    Imprimante 3DIP 197.16.3.102Masque 255.255.255.0

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    Dbut

    Dtection de la casse dun fil

    Finition de la couche en cours

    Purge du reste du fil

    Fin

    Mise en pause de limprimante

    Question 18Vrifier si chaque PC du bureau dtude peut communiquer avec limprimante 3D. Justifierla rponse.

    Conclure quant la possibilit dchange de donnes entre limprimante 3D et les postesinformatiques de chaque bureau dtude dans le cas dun message derreur.

    3.5 Gestion du mode maintenance

    la dtection de la casse dun fil, la finition de lacouche en cours se termine ensuite, le reste du filest purg (voir algorigramme ci-contre du modemaintenance).

    Le technicien pourra alors intervenir sur la cassettedont le fil est cass puis, pourra lancer la suite de lafabrication.

    Question 19Sur le document rponse DR1, citer la solutiontechnologique qui assure la fonction technique :

    - FT12 : acqurir une information lie lalongueur de fil consomm

    Aprs la dtection de la casse du fil, limprimante 3D se place en mode maintenance. Cemode utilise une rserve quivalente une longueur de fil de 2270 mm.

    Hypothse :Lentranement du fil par le galet se fait sans glissement.

    Question 20En mode maintenance, limprimante 3D va purger le reste du fil dans un bac. La longueur

    maximale du fil vacuer tant de 2270 mm, calculer successivement le nombre maximalde tours du galet et du moteur.

    Galet dentranement

    gL

    Moteur et Codeur100 impulsion/ tr

    Rducteur5247

    1R

    Galet dentranementDiamtre 16 mm

    FilDiamtre1,8 mm

    Fil

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    DT3 DOSSIER TECHNIQUE DT3LES TROIS CONFIGURATIONS DE LA TTE DIMPRESSION

    CONFIGURATION INITIALE CONFIGURATION D POSE FIL MOD LECONFIGURATION D POSE FIL SUPPORT

    Fil modle fondu

    10

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    8

    911

    1

    12

    Bute

    Fil support fondu

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    DT4 DOSSIER TECHNIQUE DT4RESSORT DE TRACTION

    CARACTRISTIQUES MOTEUR

    MOTEUR COURANT CONTINU MAXON

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    1

    2

    3

    4

    Dtecteur mcanique : Interrupteur poussoir Rfrence MS3-LPCB

    Caractristiques :- Avec levier de commande- Dimensions : 6,5 x 12,8 x 5,8 mm- 2 trous de fixation- Courant maxi 2,5 A- Tension maxi 250V- Dure de vie mcanique :1000000 manuvres

    Symbole :

    Schma de cblage :

    Dtecteur magntique : Interrupteur I.L.S (Interrupteur Lame Souple)

    Rfrence RLMR108

    Caractristiques :- Tension de coupure maxi : 230V

    - Courant permanent : 1,5A- Corps en verre : 26,5mm- Diamtre : 3,7mm

    Symbole :

    Schma de cblage :

    Dtecteur optique : Optocoupleur Rfrence CNZ1110

    Caractristiques :

    Paramtres Abrviation Valeur Unit

    Input

    Diodemet--trice

    Courantdirect

    IF 50 mA

    Courantdirect Max

    IFM 1 A

    Chute detension auxbornes de ladiode ltat

    passant

    VAK 0,7 V

    Output

    sortie

    Tension

    dalimentation

    Vcc 0 30 V

    Courant desortie

    Io 20 mA

    Puissancedissipe

    Po 100 mW

    Symbole :

    Schma de cblage :Loptocoupleur est constitu dun metteur(gnralement une diode lectroluminescente) et dunrcepteur de lumire (gnralement un phototransistor).La dtection dobjet seffectue par coupure du faisceaulumineux.

    +Vcc

    0V

    R

    Le signal est ltat 0quand lefaisceau lumineux est coup parun objet opaque prsent entrelmetteur et le rcepteur.Le signal est ltat 1 quand lefaisceau lumineux nest pascoup par un objet opaque

    prsent entre lmetteur et lercepteur.

    Signal

    R

    +Vcc

    0V

    R

    Signal

    Le signal est ltat 0 quand lalame souple de lILSnest pasattire par un objet mtallique proximit.Le signal est ltat 1 quand lalame souple de lILS est attirepar un objet mtallique

    proximit.

    +Vcc

    0V

    R

    Signal

    Le signal est ltat 0 quandlinterrupteur nest pas en contactavec lobjet dtecter.Le signal est ltat 1 quandlinterrupteur est en contact aveclobjet dtecter.

    DT5 DOSSIER TECHNIQUE DT5DTECTEURS TOR

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    FT11Grer le fonctionnementdu systme

    FT13Convertir lnergielectrique en nergie

    mcanique de rotationFT14Rduire la vitesse derotation et augmenter lecouple

    FT15Transformer lnergiemcanique de rotationen nergie mcaniquede translation (entranerle fil en translation)

    FT16Maintenir le fil encontact avec le galetdentranement

    Carte lectronique

    FT21Grer le fonctionnementdu systme

    FT22Convertir lnergielectrique en nergiethermique

    FT 23Acqurir la temprature

    Rsistance chauffante

    Thermocouple

    Carte lectronique

    FT 31Crer une sectioncirculaire dediamtre 0,25 mm

    Buse

    FONCTION PRINCIPALEConvertir un modlevirtuel numrique en unmodle physique rel

    Fonction technique 1Dplacer les fils dematire

    Fonction technique 2Fondre la matire

    Fonction technique 3Calibrer la matirefondue

    FT41Crer un dplacementsuivant trois axes de la

    buse par rapport lapice en cours defabrication

    2 translations horizontalesde la tte / bti.

    1 translation verticale duplateau / bti

    Fonction technique 4Dposer la matire

    fondue sur la pice encours de fabrication

    FT12Acqurir une informationlie la longueur de filconsomm

    DR1 DOCUMENT RPONSE DR1FAST partiel de la fonction principale

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    DR4 DOCUMENT RPONSE DR4EXTRAIT DE LALGORIGRAMME DU PROGRAMME PRINCIPALQuestion 15

    Mettre en temprature lenceinte etles filssupport et modle

    Tempratures affiches lcran

    Tempratures delenceinte et des filssupport et modle

    atteintes ?

    Dbut