Conception d’un chargeur automatique deeprints2.insa-strasbourg.fr/994/1/Mecatronique-2011-ALLARD-memoire.… · 67120 Molsheim Directeur de PFE : Tuteur école : Luc FELDEN

Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg

Mémoire de Projet de Fin d’Etudes

INSA Spécialité MECATRONIQUE

Conception d’un chargeur automatique de

média

Présenté en Septembre 2011 par Florian ALLARD

Réalisé au sein de l’entreprise : Merck Millipore

39 Route Industrielle de la Hardt

67120 Molsheim

Directeur de PFE : Tuteur école :

Luc FELDEN Renaud KIEFER

Ingénieur Conception

Confidentialité

Le contenu de ce mémoire est confidentiel. Le lecteur s'engage de considérer et de traiter comme

strictement confidentielles aussi bien la teneur et l’existence du présent contrat que toutes les

données et informations acquises, au titre de son exécution, que ces données et informations soient

ou non, lors de leur communication, revêtues de la mention «CONFIDENTIEL» ou autrement

identifiées comme telles, et de n’utiliser ces données et informations à aucune autre fin que

l’exécution du présent contrat ou la mise en œuvre de ses dispositions.

Il convient de limiter strictement la communication des dossiers techniques aux seuls membres du

jury ayant à en connaître, à savoir :

- Luc Felden

- Renaud Kiefer

- Marc Vedrines

Remerciements

J’aimerai particulièrement remercier M. Luc FELDEN, ingénieur conception produits

au sein du pôle « Lab solutions – BioMonitoring » de Merck Millipore ainsi que tuteur de

mon projet, pour m’avoir permis de transformer ce stage en une réelle expérience

professionnelle.

De même, merci à M. Joseph PIERQUIN, responsable du « Product Development »

ainsi qu’à toute l’équipe du laboratoire R&D - BioMonitoring pour leur accueil et pour

m’avoir rapidement intégrer au sein de l’entreprise.

Merci à Jean Jacques RICHTER, technicien prototypiste pour la réalisation de pièces

de qualités et pour m’avoir apporté son expérience de l’usinage.

Enfin, je tiens à remercier Emre SALMANOGLU, élève ingénieur et Sylvain RIBALLET,

ingénieur conception mécanique et consultant de la société Maia R&D technical consulting,

ainsi que le reste de mes collègues du laboratoire pour leur collaboration et leurs conseils

sur le sujet du stage.

Projet de fin d’Etude – Chargeur automatique de média

Florian ALLARD - Mécatronique

INSA Strasbourg | Merck Millipore | Septembre 2011

RAPPORT CONFIDENTIEL

1

Table des matières Remerciements ....................................................................................................................................... 0

Introduction ............................................................................................................................................. 3

Partie I – Merck Millipore ........................................................................................................................ 4

I.1. Contexte et Historique .................................................................................................................. 4

I.2. Organisation de Merck Millipore .................................................................................................. 5

I.3. Quelques produits ......................................................................................................................... 7

I.4. Déroulement du projet .................................................................................................................. 8

I.5. Moyens mis à disposition .............................................................................................................. 8

Partie II – MilliFlex Quantum phase 2 ................................................................................................... 11

II.1. Présentation du sujet ................................................................................................................. 11

II.1.1. Protocol manuel .................................................................................................................. 11

II.1.2. Consommables à traiter ...................................................................................................... 13

II.2. Démarche de l’étude .................................................................................................................. 15

II.3. Etat de l’art ................................................................................................................................. 16

II.4. Analyse Fonctionnelle ................................................................................................................ 17

II.4.1. Enoncé du besoin ................................................................................................................ 17

II.4.2. Environnement du produit recherché ................................................................................. 17

II.4.3. But de l’étude ...................................................................................................................... 18

II.4.4. Analyse fonctionnelle .......................................................................................................... 19

II.4.5. Proposition de séquences et d’agencements spatiaux ....................................................... 20

II.5. Etudes préliminaires ................................................................................................................... 22

II.5.1. Homogénéité de température dans une pile ...................................................................... 23

II.5.2. Banc de test de technologies de chauffe ............................................................................ 24

II.6. Conception mécanique des modules ......................................................................................... 25

II.6.1. Architecture du système global ........................................................................................... 25

II.6.2. Transferts ............................................................................................................................. 26

II.6.3. Stockage, chargement et indexation des Milliflex incubés ................................................. 28

II.6.4. Stockage, chargement et indexation de la languette des MFX liquides neufs ................... 35





2

II.6.5. Pelage du Tyvek ................................................................................................................... 37

II.6.6. Diffusion et déchargement des MFX traités ........................................................................ 40

II.7. Commande du système et câblage ............................................................................................ 42

II.8.1. Grafcet linéaire .................................................................................................................... 42

II.8.2. Grafcet optimisé .................................................................................................................. 43

II.8.3. Programmation XPc Target ................................................................................................. 43

II.8.4. Commande moteur ............................................................................................................. 44

II.8.5. Contrôle des positions ......................................................................................................... 44

II.8.6. Régulation de la température dans la diffusion .................................................................. 45

II.8.7. Câblage ................................................................................................................................ 45

II.8. Résultats ..................................................................................................................................... 47

Discussion et Conclusion ....................................................................................................................... 48

Table des illustrations ............................................................................................................................ 49

Bibliographie ......................................................................................................................................... 51





3

Introduction

Ce mémoire de projet de fin d’étude présente une étude de conception d’un chargeur automatique

de média ou plus précisément de supports d’agar permettant la culture de micro-organismes. Ce

chargeur s’incorpore dans un système plus général permettant le marquage fluorescent automatisé

de bactéries déposées sur membrane ainsi que l’énumération automatique de ces derniers.

Ce stage en entreprise s’est déroulé au sein du site alsacien de Merck Millipore. Cette entité, issu du

récent rachat de Millipore S.A.S. par le groupe Merck KGaA, est orienté dans le domaine des sciences

de la vie. Le laboratoire de Recherche et Développement de Molsheim fait partie de l’unité « Lab

solutions – BioMonitoring » de Merck Millipore et l’équipe « Hardware & Software » que j’ai pu

intégrer est issu du département « Product Design and Development » de cette unité.

Soucieux de développer son activité pour conquérir de nouvelles parts de marché et consolider sa

clientèle, Millipore se lance dans la conception de nouveaux produits. A travers les différents projets

en cours, l’entreprise marque une tendance à l’automatisation de nouveaux produits ou des

produits existants.

C’est dans cette optique que le projet Quantum phase II a été initié. Il s’agit de la seconde génération

du Milliflex Quantum, un appareil de détection quantitative rapide non destructive de micro-

organismes basé sur une technologie de marquage fluorescent. L’objectif de ce stage sera alors de

concevoir un système réalisant une partie du protocole actuel de façon automatisée dans le but de

libérer du temps aux personnels de laboratoire. Après une recherche d’antériorité, cette étude devra

permettre d’identifier les fonctions et les séquences que le système réalisera puis de prouver la

faisabilité et le fonctionnement des solutions imaginées. Ceci résultera sur la fabrication d’un

prototype fonctionnel mais non représentatif du système final faisant état de la faisabilité du produit

dans le but de convaincre les sponsors internes de poursuivre le développement du projet.

La première partie de ce rapport présente l’entreprise Merck Millipore, son organisation, la

démarche d’un projet et les moyens disponibles. Dans un second temps, l’étude de conception en

expliquant la démarche suivie et les différentes étapes entreprises sera détaillée. Enfin, les résultats

obtenus seront présenté.





4

Partie I – Merck Millipore

I.1. Contexte et Historique Merck Millipore (ou EMD Millipore en Amérique du Nord) est une entité issue du rachat de

l’entreprise Millipore S.A.S. par le groupe Merck KGaA.

Figure 1 : Darmstadt, siège de Merck

Merck est une entreprise familiale allemande fondée en 1688 par Friedrich Jacob Merck. Cette

société internationale dont le siège est à Darmstadt a des secteurs d’activités orientés vers les

industries pharmaceutiques et chimiques. Cette entreprise aux revenus de 10,5 milliards de dollars

en 2009, emploie près de 33 000 personnes dans 64 pays. Elle reste aussi détenue majoritairement

dans le patrimoine familial (70%).

Millipore est quant à elle une entreprise d’origine américaine fondée en 1954 par Jack Bush. Cette

société, elle aussi international, dont le siège est à Billerica (MA USA) est orienté dans l’industrie des

sciences de la vie. Elle est largement connue pour sa production de filtres aux micropores. Cette

entreprise aux revenus de 1,6 milliards de dollars en 2009, emploie 6 000 personnes.

Figure 2 : Millipore à Molsheim





5

Millipore devient depuis 2010 la division science de la vie du secteur chimique de Merck et devient

Merck Millipore. Cette entité est dirigée par Bernd Reckmann qui sera relayé par Robert Yates au 1er

septembre 2011. Ainsi, la restructuration suite au rachat de l’entreprise permet de dresser une

nouvelle carte de Merck Millipore. Elle emploie 10 000 personnes à travers le monde et possède plus

de 40 000 produits qu’elle vend dans 64 pays à plus d’1 million de clients. C’est l’un des 3 plus grand

investisseurs industriels en R&D du secteur et a un revenu en 2009 de 2,1 milliards de dollars.

Figure 3 : Merck Millipore dans le monde

(Hall, 2009) (Merck, 2011) (Wikipedia, 2011)

I.2. Organisation de Merck Millipore Comme énoncé précédemment, Merck Millipore est la division « Life science » du secteur chimique

de Merck.

Figure 4 : Division Merck Millipore





6

Mais cette division est encore séparée en trois unités (« business units ») qui sont :

- Biosciences : produits utilisés par les laboratoires spécialisés en sciences de la vie. Elle

représente 20% de l’activité de la division.

- Lab solutions : produits et équipements de laboratoire pour des applications en sciences de

la vie et sur des marchés industriels. Elle représente 40% de l’activité de la division.

- Process solutions : produits employés en production de médicaments pharmaceutiques et

biopharmaceutiques. Elle représente 40% de l’activité de la division.

BioMonitoring

MERCK GROUP

Merck Chemical

Merck Millipore

Bioscience

Lab Essentials Lab Water

Product Design & Development Applications Predevelopment, Technologies & Collaboration Design Validation

Lab SolutionsProcess solutions

Devices

Hardware & Software

Media/Reagent

PAC & Transfert to MFG

Applied Microbiology

Molecular Biology

Immonological Microbiology

Biotech Application

Biopharma Molecular Biology

Systems

Microbiology

Rapid Microbiology

Food&Bev

Quality

Validation

BioMonitoring R&D BioMonitoring MFG

Figure 5 : Organisation de la « business fields » BioMonitoring et positionnement du stage

Le stage s’est déroulé au sein du service « Product Design & Development (PDD) » du « business

fields » BioMonotoring dans le département « Hardware and software » sous la tutelle de Luc

FELDEN, ingénieur conception produits.





7

I.3. Quelques produits Le département BioMonitoring propose les gammes de produits suivantes :

- Surveillance de l'air

- Filtre et Membranes

- Dispositifs de filtration

- Incubateurs

- Tests microbiens

- Culture microbiologique

- Test Mycoplasma

- Boîtes de Pétri & Pads

- Systèmes de détection rapide

- Tests de stérilité

Le schéma suivant montre le rôle de certains de ces produits.

Figure 6 : Produits du BioMonitoring

Parmi, ces différents systèmes conçus et développés par Millipore, on

retrouve les systèmes de détection rapide comme le Milliflex

Quantum dans lequel s’inscrit mon PFE. En effet, une étude de

faisabilité d’une seconde génération de ce produit a été menée. Figure 7 : Lecteur Milliflex Quantum





8

I.4. Déroulement du projet Au sein de Merck Millipore, le déroulement d’un projet suit un schéma établi par la direction.

Ce schéma décompose le projet en plusieurs parties distinctes dans le temps :

- une investigation préliminaire (Preliminary Investigation ou PI)

- une investigation détaillée (Detailled Investigation ou DI)

- le développement (DEV)

- la validation (VALID)

- la commercialisation (COM)

Chaque entrée dans une nouvelle phase est précédée par un jalon appelée « porte » (G0, G1, G2, …).

A l’initiation d’un projet se trouve une « Concept Brief » rédigée par le service marketing. Celle-ci

décrit brièvement les besoins auxquels le système devra répondre. Cette phase permet d’effectuer

des études de faisabilités accompagnées de preuves des concepts qui semblent délicats à réaliser.

Elle débute par une recherche d’antériorité suivie d’une analyse fonctionnelle dans le but de rédiger

un cahier des charges fonctionnel.

C’est dans cette première phase d’investigation que s’est déroulé mon PFE. Pour atteindre les

livrables attendus à la fin de cette étape, un planning d’actions à mener a été établi. Il est présenté

dans le chapitre présentant la démarche du projet.

I.5. Moyens mis à disposition Pour concevoir et valider de nouveaux produits, l’équipe de conception dispose de moyens logiciels

et matériels.

La conception mécanique s’effectue à l’aide du logiciel de CAO, Pro Engineer.

Un atelier d’usinage comprenant des machines conventionnelles et numériques est à disposition

pour l’usinage des pièces assuré par un technicien prototypiste. De même, une machine

d’’impression 3D (stéréolithographie) permet la réalisation rapide des pièces générées par la CAO.

Les outils logiciels Matlab et Simulink sont disponibles pour effectuer des calculs mais surtout comme

moyen de prototypage rapide (commande temps réelle embarquée) à l’aide de la boite à outil xPC

Target et de ses cartes d’entrée/sortie.

Matlab, pour Matrix LABoratory, est un outil logiciel puissant développé par The Math Works Inc.

Destiné au calcul scientifique et à la visualisation, Matlab a la particularité d’introduire une approche

matricielle et dispose de son propre langage de programmation. Ce logiciel dispose d’un grand

nombre d’outils spécifiques à certains domaines (toolbox) et intègre un environnement de





9

modélisation, Simulink, basé sur les schémas blocs permettant entre autre la simulation de systèmes

dynamiques linéaires ou non linéaires.

L’environnement de développement temps réel, « Real-Time Workshop » (RTW) génère un code à

partir d’un modèle Simulink permettant de lancer des applications dans des systèmes temps réel et

autonomes. Associé à un environnement tel que xPC Target ou dSPACE, il permet d’intégrer la partie

matérielle dans le processus de prototypage rapide de la commande (Hardware-in-the-loop).

Figure 8 : Procédure de prototypage rapide avec RTW

(Math Works Inc., 1999)

Enfin, xPC Target, associé à l’environnement RTW et à un PC cible incluant des modules

d’entrée/sortie numériques ou analogiques mais aussi de génération et de capture d’impulsions,

réalise l’interface entre le programme Simulink et la partie matérielle. Il sera alors possible de créer

un système temps réel autonome ou interactif lorsqu’il est lié à l’ordinateur hôte. En plus des

fonctions de bases de Simulink, une bibliothèque spécifique à cet environnement est disponible. Elle

permet par exemple de modéliser et de paramétrer les cartes d’entrée/sortie ou d’inclure des

graphiques dans le système autonome permettant d’enregistrer ou d’afficher en temps réel sur un

écran cible les valeurs souhaitées du modèle.





10

Figure 9 : Composition de l'environnement de prototypage xPC Target

(Math Works Inc., 2011)





11

Partie II – MilliFlex Quantum phase 2

II.1. Présentation du sujet Ce projet de conception d’un chargeur automatique de médias1 s’inscrit

dans le cadre du développement d’une nouvelle génération du produit

Milliflex (MFX) Quantum.

Ce produit est un système de détection quantitative rapide non

destructive de micro-organismes basé sur une technologie de marquage

fluorescent.

Actuellement, le protocole de détection est entièrement manuel, le but de ce projet est

d’automatiser une partie des étapes du protocole. Ainsi, l’objet de mon stage est la conception d’un

« chargeur automatique de médias » permettant le stockage de plusieurs supports de médias à

l’entrée du système puis d’effectuer les transferts automatiques internes et les prétraitements

nécessaires.

II.1.1. Protocol manuel

Le schéma suivant montre brièvement le processus d’analyse d’un produit avec le MFX Quantum

actuel et met l’accent sur les étapes automatisées par le chargeur automatique de média :

Figure 11 : Protocol Quantum 1

Le détail du protocole existant permet de comprendre le fonctionnement du produit actuel.

1 En microbiologie, on entend par « media » un milieu de culture de micro-organismes. Ainsi, le chargeur

automatique de média a pour vocation l’insertion automatisée de support contenant du média et des micro-organismes dans un système d’analyse.

Figure 10 : Milliflex Quantum





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La première étape est la filtration du produit à analyser dans le but de déposer

uniquement les micro-organismes sur une membrane. Cette membrane est

alors emmanchée à un support2 de média liquide ou solide permettant la

croissance les bactéries à l’aide de l’outil « Milliflex Quantum transfer tool ».

Ensuite, une première incubation permet la culture de ces bactéries. Ainsi, un

micro-organisme va se multiplier et former une colonie.

Afin de visualiser ces colonies encore non visibles à l’œil nu, un marquage fluorescent est réalisé.

Cette technique permet de gagner du temps sur l’incubation initiale puisque les colonies sont

identifiables avant que leur taille soit suffisamment grande pour être visible à l’œil nu. En cas de

contamination de l’échantillon, et ceux au bout de 24h, les colonies sont identifiables par des points

sur la membrane.

L’outil, appelé « Removal rack » permet de séparer la

membrane de son support de média afin d’ajouter un PAD neuf

imbibé de réactif. Lors de cette étape de reconnection entre la

membrane et le support neuf, l’outil « membrane transfer tool »

impose un vide sous le support pour donner une forme convexe

à la membrane afin d’éviter la formation de bulles d’air entre la

membrane et le pad.

Enfin, comme le montre la figure 13, après une diffusion du fluorophore de 30min dans les bactéries,

la membrane est lue par une caméra et le comptage des colonies se fait manuellement par le biais

d’un logiciel. Compter le nombre de colonies permet de connaitre le nombre de micro-organismes

présents initialement dans l’échantillon filtré.

Figure 14 : Principe de marquage fluorescent

2 Dans la suite du document, on nommera par « Milliflex », « supports » ou « consommable » l’élément

plastique traité, utilisé comme support de média ou de pad à imbiber de réactif.

Figure 12 : Membrane transfer tool

Figure 13 : Removal Rack





13

Ce principe de détection par marquage fluorescent a été breveté par Millipore (« Device for

microbiological analysis », US patent N° 0075409 A1, Millipore Corporation, 2010). Un fluorophore

est déposé sur les bactéries et réagit avec une enzyme contenue dans les micro-organismes. Ce

marqueur est ensuite excité par une lumière de longueur d’onde 470nm. Ce dernier renvoi alors une

lumière de 570nm (cf. Figure 14). Enfin, un filtre permet d’atténuer les longueurs d’onde plus faibles

que celle à observer.

Figure 15 : Spectre d'excitation du fluorophore

II.1.2. Consommables à traiter

Le chargeur automatisé devra alors permettre l’insertion des deux types de support de média fournis

par Millipore : les cassettes Milliflex solides et liquides, chacune pouvant contenir respectivement

un media solide ou liquide. Ces supports ont des caractéristiques géométriques différentes et se

découpent en plusieurs parties détachables :

- Le couvercle transparent et de diamètre supérieur à celui du support

Couvercles

Membranes

Support liquide

Support solide

Couvercle de fond

Figure 16 : Vue éclatée des Supports liquides et solides





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- La membrane contenant les microorganismes à marquer qui est emmanchée sur le support - Le support de média différent s’il s’agit d’un média liquide ou solide. Le support solide,

contrairement au liquide est composé de deux oreilles permettant sa préhension et est cylindrique. Le support liquide est quant à lui conique et de hauteur légèrement plus faible.

- S’il s’agit d’un support solide, il faut ajouter un couvercle de fond permettant de refermer le consommable. Si c’est un support liquide, il possède un bouchon en son fond permettant de remplir le support de média liquide.

Une fois les deux types de consommables assemblés, appelé cassette

incubée cal ils sont insérés dans un incubateur avant d’être introduit

dans le système, d’autres différences peuvent être notées. Ainsi, la

hauteur totale du support liquide est plus faible de 1,4 mm par rapport

à la hauteur de la cassette solide. De même, la profondeur du fond du

support liquide est plus grande que celle du support solide (11,3 mm

pour le support liquide contre 4,3 mm pour le solide)

Enfin, ces deux types de consommables sont empilables entre eux. De ce fait, il est impossible

d’utiliser les systèmes de chargement existants dans la littérature permettant le traitement de boites

de pétri (lisses sur le fond et sur le haut donc non empilable).

De plus, le support liquide peut se trouver sous la forme de cassette neuve dans le système. Il s’agit

alors du bas du Milliflex liquide incubé. Appelé support neuf, il est constitué :

- d’un Tyvek3 à retirer

- d’un pad à imbiber de réactif

- du support conique.

Le MilliFleX liquide neuf a les particularités suivantes :

- Il ne s’empile pas. Contrairement aux Milliflex solide et liquide incubées, les supports liquides neufs ne « s’emboite » pas entre eux pour former une pile stable.

- Il est conique. - La languette peut être dans différentes positions (cf.

pelage)

3 Le nom « Tyvek » est une marque déposée de E. I. DuPont de Nemours & Co. C’est un matériau synthétique

non-tissé fabriqué à partir de fibres de polyéthylène. On utilise ce nom pour désigner la protection munie d’une languette présente sur les cassettes neuve.

Figure 17 : Cassette solide incubée

Figure 18 : Support liquide neuf





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II.2. Démarche de l’étude

La première étape a été la réception d’un « Concept Brief » émis par le service Marketing. C’est un

document de 4 pages décrivant le projet et exprimant le désir du service Marketing (Expression du

besoin client, quelques données financières, stratégie commerciale, …).

Plusieurs étapes sont ensuite différenciées dans le déroulement du projet puis effectué un planning

mettant en évidence la démarche entreprise :

- Analyse de l’existant : A travers une analyse de la concurrence, un état de l’art et une démarche de Reverse Engineering sur certains produits, on pourra identifier des solutions partielles déjà mises en place dans les produits existants.

- Formulation du besoin : En suivant la méthode de l’analyse fonctionnelle décrite dans les normes AFNOR NF X 50-1004 et NF X 50-1515, on pourra identifier l’environnement ainsi que les fonctions principales, contraintes et complémentaires du système auxquelles un critère à atteindre sera attribué. Des outils tels que la « bête à corne » et le « diagramme pieuvre » seront alors utiliser pour représenter les interactions entre le système et son milieu extérieur. Cette approche a été choisie puisque c’est la méthode de conception la plus rependue et qu’elle est utilisée dans les projets de R&D de Millipore. Cette étape donne lieu à l’ébauche d’un cahier des charges fonctionnel.

- Recherche de solutions : A l’aide des observations apportées par l’analyse de l’existant ainsi qu’avec des outils de réflexion et de création d’idée en groupe (brainstorming / méthode des 6 chapeaux), des solutions adaptées au cahier des charges concernant des points délicats du projet sont mises en avant. En parallèle, en utilisant l’outil du « diagramme FAST », un ensemble de solutions répondant à chaque fonction pourra être représenté en essayant d’être le plus exhaustif possible.

- Affinement du besoin : Suite à cette génération d’idées, les solutions répondant au mieux au cahier des charges sont identifiées à l’aide d’un prototypage de la solution et/ou la modélisation de celle-ci. Si suite aux études de principes certains critères ne semblent pas être atteignable sans compromettre l’existence d’autres fonctions (entre autre le coût), il sera nécessaire de réévaluer le cahier des charges.

- Préconception : des choix de solutions techniques seront effectués permettant d’atteindre les critères d’évaluations imposés par le cahier des charges puis une démarche d’Analyse des Modes de Défaillance, de leurs Effets et de leur Criticité (AMDEC) sera entreprise.

4 NF X 50-100 : « Analyse fonctionnelle - caractéristiques fondamentales », 1996

5 NF X 50-151 : «Analyse de la valeur, Analyse fonctionnelle – Expression fonctionnelle du besoin et cahier des

charges fonctionnel », 1991





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- Conception d’un ou plusieurs prototypes intégrant les solutions retenues pour prouver le fonctionnement (critères atteints) du système dans sa globalité.

- Optimisation du prototype puis écriture des dossiers techniques

Le tableau en annexe 1 montre le planning du projet respectant les étapes décrites auparavant.

II.3. Etat de l’art Pour les deux principaux systèmes du chargeur automatique de media (système de transfert et

système de stockage), une recherche de propriété intellectuelle est effectuée à l’aide de la base de

données de “MicroPatent”. Ces recherches s’effectuent à l’aide des différents mots clés cités en

annexe 2 pour chaque système et regroupe les principaux brevets depuis 1971. Pour chaque brevet

retenu, on précisera dans le document complet en annexe 2 son nom, son numéro, sa date de

demande, le nom du demandeur ainsi que le statut (en cours de demande, valide ou ancien). Enfin,

les revendications pouvant concerner notre sujet seront synthétisées et une image représentative du

système sera exposée.

La recherche de propriété intellectuelle illustre les points suivants :

- Dans la plus part des brevets, le système de stockage et/ou le système de chargement sont revendiqués comme sous-système d’un appareil ayant une fonction principale différente.

- Les carrousels, les pinces et les convoyeurs linéaires sont souvent utilisés comme outil de transfert et de stockage.

- Aucun brevet ne concerne un système de stockage modulable pouvant s’adapter à de multiples tailles de boite.

- De même, aucun brevet ne revendique un système de stockage adapté à la mise en incubateur.

- Une large gamme de chargeurs de « Printed Circuit Board » non brevetés est présente dans l’industrie électronique.

- Enfin, l’étude comparative des produits vendus dans le commerce montre deux classes de systèmes en termes de capacité. Les appareils à grande capacité dépassent les 300 supports alors que ceux à capacité réduite (comme le système étudié ici) permettent de stocker environ 20 supports.

Finalement, l’analyse bibliographique concernant les dispositifs de chargement automatique et de

stockage de boite de pétri ou d’autres supports révèle une liberté quant aux choix de solutions

techniques pour réaliser ces fonctions et m’a permis d’identifier les mécanismes couramment

utilisés pour répondre au besoin.





17

II.4. Analyse Fonctionnelle

Le « concept brief » émis par le service Marketing énonce comme but principal pour le sous-système

chargeur automatique de média la phrase suivante :

«Rack loader to process multiple membranes (10/15/20) in less than 1 hour with no operator

involvement during this operation ».

Cette phrase laisse une très grande liberté quant aux fonctions à réaliser. Il sera donc nécessaire à

partir du document du Marketing d’apporter plus de précision sur le besoin et d’effectuer ensuite

une analyse fonctionnelle du système.

II.4.1. Enoncé du besoin

Le service Marketing a énoncé dans le « concept brief » V1.0 du 03 Février 2011, les besoins

concernant le chargeur automatique de médias suivants :

- Traitement (Lecture) de plusieurs médias (10/15/20) en moins d’une heure sans intervention de l’utilisateur.

- Gestion de la traçabilité - Facile à utiliser (manipulation limitée) - Compatible avec tous les MFX média (solide ou liquide) fournis par Merck Millipore - Compatible avec les membranes pour le marché Food & Beverage (Petri dish,…) - Ne pas augmenter le risque de faux positif - Facile à maintenir - Facile à valider

II.4.2. Environnement du produit recherché

Ci-après la liste exhaustive des éléments de l’environnement du système et leurs caractéristiques est

établit:

Eléments de l’environnement Caractéristique K7 Milliflex Liquide incubées Bouchon jaune, pad, dimensions

K7 Milliflex Solide incubées Oreilles, gélose, dimensions

Autres membranes Type, dimensions

Station de marquage Entrée/Sortie

Station de lecture Entrée/Sortie

Utilisateur Compétences

Norme 21CFR11 Directives (traçabilité)

Bactéries à compter Quantité, type

Technicien de maintenance Time to repair, Mean time between failure





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Déchets biologiques Médias incubés

Déchets banals Tyvek, média propre

Environnement de laboratoire Paillasse, PSM, Température, Humidité,

Bactéries et particules environnantes

Produits chimique Effets (corrosion, toxicité,…)

Autres instruments CEM

Energie Fréquence, AC/DC

Coût Coût max

II.4.3. But de l’étude

Le schéma suivant met en évidence le but du système étudié et permet de contrôler la validité de

l’étude.

A qui rend-il service ? Sur quoi agit-il ?

Utilisateur Médias

Chargeur automatique

de médias

Permettre le stockage de N médias et leur

transfert automatique vers les stations de

marquage et de lecture.

Dans quel but ?

Pourquoi ce but ? Grande quantité d’échantillon à traiter par jour.

Pour quoi ? (Besoin) Réduire le « Hand-on Time » (Temps de

manipulation)

Pour quoi ? (Cause) Libérer du temps à l’opérateur

Remise en cause des choix amonts /

Changement d’orientation

stratégique

(cf. service Marketing)

Evolutions possibles

K7 MFX Liquide incubée

K7 MFX Solide incubée

Support MFX Liquide neuf

Opérateur de laboratoire QC ou

laboratoire microbiologique

dans l’industrie pharmaceutique

et/ou du « Food & Beverage »

Figure 19 : "Bête à corne"





19

II.4.4. Analyse fonctionnelle

Seule la phase de marche normale est prise en compte dans l’étude fonctionnelle du système

« Chargeur automatique de média ».

Les différents éléments extérieurs du système sont regroupés sur la figure suivante et la liste des

fonctions principales (FP) qui sont la raison d’être du produit, des fonctions complémentaires (FCP)

qui permettent de compléter le service rendu et les fonctions contraintes (FC) qui sont les exigences

d’un élément du milieu extérieur contraignant le système est effectuée.

Le tableau en annexe 3 (Cahier des charges fonctionnel) énumère les différentes fonctions du

système et établi un critère qualitatif et/ou quantitatif pour chacune d’entre elles.

Chargeur

automatique

de médias

Déchets

Biologique

s

Déchets

Banals

Utilisateur

Produits

chimiques

Energie

Autres

instrument

Station de

lecture E/S

Technicien de

maintenance

K7 MFX L

incubées

K7 MFX S

incubées

Support MFX L

neuf

Média

Bactéries à

compter

Norme

21CFR11 Environnement

de labo

Station de

marquage E/S

FP1

FP2 FC14

FC3-15

FC1

FC13

FC12

FC10

FC11

FC2

FC6

FC7

FC4-8-9

FC5

FCP5-7-8-9

FCP1-2-3-4

FCP6

Coût

FC16

FP3

Autres

membranes

FC17

Figure 20 : "Diagramme pieuvre"





20

Ainsi, suite à l’analyse fonctionnelle de ce sous-système, les sous fonctions principales que devra

remplir le chargeur automatique de médias sont les suivantes :

- sFP1 : Stocker 10 cassettes incubées liquides ou solides - sFP2 : Stocker 10 cassettes liquides neuves - sFP3 : Charger les cassettes incubées et neuves une par une dans le système - sFP4 : Transférer chacune des cassettes aux différents postes de travail - sFP5 : Indexer les oreilles des cassettes incubées solides - sFP6 : Indexer la languette du Tyvek des cassettes neuves - sFP7 : Peler le « Tyvek » des cassettes neuves - sFP8 : Empiler les cassettes marquées (en les séparant car une étude préliminaire énoncé au

chapitre II.5 montre l’intérêt de laisser un espace entre deux cassettes pour l’étape de diffusion)

- sFP9 : Effectuer la diffusion du réactif (à température donnée)

II.4.5. Proposition de séquences et d’agencements spatiaux Pour les sous fonctions principales 1 à 4 un ensemble de séquences possibles permettent d’une part

de décomposer ces fonctions en sous fonctions correspondant à des actions simples et d’autre part

d’estimer l’agencement de ces actions dans le temps.

Pour chaque cas, un schéma explicatif auquel s’applique la légende ci-dessous est exposé et un

diagramme montre les temps du système et les actions de l’utilisateur au cours du temps en

supposant un système contenant 5 médias. Les stocks maximaux et le « Hand On Time » (HOT :

temps perdu en manipulation) et le « Keep On Mind » (KOM : temps qui doit être respecté entre

deux manipulations) sont les limitations de la séquence.

Légende

Fonction du système de chargement

Fonction non remplie par le système de chargement

Transfert automatique

Transfert manuel

Goulet de stockage

- M : Temps de chargement + marquage

- D1 : Temps d’attente avant transfert à

température ambiante

- I : Temps d’incubation à 32.5°C pour la

diffusion du marqueur

- D2 : Temps d’attente avant transfert à

température ambiante

- L : Temps de lecture + déchargement - N : Nombre de média stockable

Les valeurs maximales et minimales des temps I, D1 et D2 sont aussi introduits. En prenant comme

critère le fait de ne pas dépasser un temps D1max, D2max ou Imax tout en respectant les temps

D1min et Imin nécessaires, le nombre de média stockable au maximum peut être calculé.

L’ensemble des séquences imaginées est disponible dans le cahier des charges fonctionnel en annexe

3.





21

Parmi les 12 séquences proposées, un cas idéal pour l’utilisateur retient notre attention :

Cas F

Incubateur

≈30 min

Station de

marquage

Station de

Lecture

Incubateur interne

Transfert auto « 1 par 1 »

QII

M

M

M

M

M D1

D1

Chargement Déchargement

Actions de

l’opérateur

D1

D1

D1

I

I

I

I

I

L

L

L

L

L

Limitation :

- Stock max : Illimité. Taille minimum de l’incubateur = I/(M+D1)

- HOT : 2 manipulations

- KOM : 1 manip au bout de N*M+D1+I+L

Finalement, une séquence, se rapprochant des cas F et E, a été retenue.

Ainsi, le cas F correspondra à une utilisation du système. On souhaite alors réaliser un système

entièrement automatique du chargement jusqu’à la lecture en passant par le marquage. Le

chargement, la diffusion (incubation intermédiaire) et le déchargement se font en continu. Ceci

constitue la séquence retenue pour le modèle du Quantum 2. (cf. figure 22)

Cas E

Station de

marquage

Station de

Lecture

Incubateur interne

Transfert auto « 1 par 1 » en sortie

QII

Incubateur

≈30 min

M

M

M

M

M D1min

D1max

D1

D1

D1

Imin

I

I

I

Imax

L

L

L

L

L

Chargement Déchargement

Actions de

l’opérateur

Limitation :

- Stock max : N ≤ min [ (D1max – D1min)/M +1 ; (Imax – Imin)/L+1 ] - HOT : 2 manipulations - KOM : 1 manip au bout de 5*M+D1min+Imin+5*L





22

Cependant, on souhaite aussi séparer en deux le système Quantum 2 pour pouvoir bénéficier de

l’apport du système de marquage (entouré en rouge dans le cas E) sans avoir le système de lecture

mais en gardant une lecture manuelle par le système existant Quantum 1. Cette seconde séquence

sera nommée Quantum 1+. (cf. figure 21)

Ainsi, le marquage unitaire de chaque MilliFlex est effectué. Une fois tous les consommables traités,

la séquence de diffusion (incubateur interne au système) est lancée pour l’ensemble des supports.

Enfin, chaque média est lu un à un par le système de lecture Quantum 1 (entouré en vert dans le cas

E) et le transfert entre ces deux systèmes se fait manuellement.

II.5. Etudes préliminaires Suite à l’analyse fonctionnelle du système, certaines informations complémentaires sont nécessaires.

Ainsi, avant de faire des choix de solutions répondant aux fonctions énoncées, il s’avère intéressant

d’effectuer des études préliminaires concernant l’étape de diffusion du réactif. Ainsi, ces études

nous donnent les informations manquantes quant à la disposition optimale des consommables pour

cette étape de chauffe et quant aux technologies de chauffage les plus performantes.

Figure 22 : Système Quantum 2 Figure 21 : Système Quantum 1+





23

II.5.1. Homogénéité de température dans une pile

L’objectif est de comparer le comportement thermodynamique des supports initialement à

température ambiante insérés dans un incubateur réglé à une température supérieure. Le but est de

comparer l’évolution de température lorsque les consommables sont empilés, séparés en hauteur ou

répartis sur un plateau.

Pour chaque Milliflex l’évolution de la température dans le temps en fonction de son emplacement

est observée. On prendra comme critère le temps de réponse à 5% et l’erreur statique de chaque

mesure pour une consigne de température de 32.5°C.

L’ensemble de l’étude est disponible en annexe 4.

Pour conclure, il faudra veiller à ce que tous les Milliflex aient les mêmes nombres de surfaces

permettant le transfert thermique.

Ainsi, ce schéma indique quelles surfaces du consommable sont principalement en jeu dans le

transfert thermique suivant les dispositions :

De plus, on peut établir un tableau récapitulatif des performances de chaque disposition :

Prenons comme base le protocole Quantum 1 où une incubation de 24h et une diffusion de 30min

est nécessaire avec une précision de ± 2,5°C. Dans les deux cas, supports empilés ou séparés, la

précision est respectée. Cependant, il faut faire un choix quant à la cinétique. Le tableau suivant

montre les temps d’établissement en fonction de la disposition ainsi que le ratio face au temps

d’incubation et de diffusion.

Disposition Temps de réponse % face au temps

d’incubation (24h) % face au temps de

diffusion (30min)

Empilé 1000s 1,15% 55%

Séparé 260s 0,3% 14%

Isolé (protocole actuel) 360s 0,4% 20%

Ainsi, le fait d’empiler les consommables semble acceptable pour l’incubation mais reste délicat

pour la diffusion. On pourrait ainsi proposer une diffusion avec Milliflex séparés mais une incubation

empilé tout en prenant en compte les Milliflex aux extrémités.

Enfin, l’essai 2 (cf. annexe 4) montre l’intérêt d’utiliser un rack ayant une résistance thermique faible

pour se rapprocher des cas sans rack (utiliser un rack ouvert sur les côtés).

Empilé Séparé Isolé

(Prot

ocole

actue

l)

Flux thermique en jeux

MilliFleX





24

II.5.2. Banc de test de technologies de chauffe

Lors de la conception de la seconde génération du MFX Quantum, et

plus particulièrement lors de l’étude de la partie « Chargeur

automatique de médias », une des contraintes du système s’est

imposée : « Effectuer la diffusion du réactif de marquage ».

Une solution possible pour répondre à cette fonction est de

concevoir un système de chauffage permettant de fournir une

température homogène de 32,5°C ± 2.5 °C à tous les supports.

Le problème qui se pose est le suivant : lors du protocole du Milliflex

Quantum 1, il est conseillé de ranger les médias horizontalement (pas de pile) dans un incubateur

pour assurer que tous soient à la bonne température (32.5 ± 2.5 °C). On souhaite donc obtenir une

répartition de température homogène et se rapprocher du comportement d’un incubateur.

Le but de cette étude est de mesurer la température des Milliflex en fonction de la technologie de

chauffage choisie et de la disposition des consommables.

On testera alors les performances de plusieurs technologies de chauffage en termes de répartition

homogène de la température au sein d’une pile de MilliFleX ainsi que de rapidité d’établissement.

Les critères seront donc l’erreur statique (répartition homogène) et le temps d’arrivée dans la plage

souhaitée (rapidité).

L’ensemble de l’étude est disponible en annexe 5.

Parmi les technologies de chauffage testées :

- Convection forcée par le dessous de la pile - Rayonnement - Convection forcée par le côté de la pile - Câble chauffant autour de la pile

Une technologie se dégage du lot, la convection forcée par le côté. Cette méthode est celle qui est le

plus souvent employé dans un incubateur de laboratoire et permet d’atteindre les meilleures

performances.

En ajustant les caractéristiques (puissance de l’élément chauffant, débit du ventilateur, …) une

meilleure cinétique que dans un incubateur traditionnel peut être facilement obtenue et ainsi tendre

plus rapidement vers la température désirée. Il faudra tout de même tenir compte des observations

de l’étude préliminaire précédente concernant les dispositions des Milliflex dans l’incubateur

(empilés ou séparés). Cependant, si la rapidité du système est suffisante, l’utilisation de supports

empilés peut être acceptable dans notre application.





25

II.6. Conception mécanique des modules

Suite aux résultats de ces deux études préliminaires, on peut alors énoncer les différentes solutions

imaginées pour répondre aux fonctions du cahier des charges fonctionnel. On pourra alors mettre en

œuvre certains concepts pour prouver leur fonctionnement et leur robustesse. On effectue bien une

étude de faisabilité qui s’accompagne de preuves de principe des solutions proposées. Cette

conception reste donc une partie de la phase de PI (investigation préliminaire). Cette phase

s’accompagne ici de l’assemblage d’un prototype fonctionnel mais non représentatif du produit

final. Une fois que l’ensemble des solutions réalisées et retenues, on pourra d’une part les optimiser

puis intégrer les concepts pour réaliser un prototype représentatif (phase de DI).

Pour mettre en œuvre les preuves de principe et réaliser un prototype fonctionnel non représentatif,

on choisit de concevoir un système constitué de plusieurs modules répondant à des fonctions

simples. Cela permet de pouvoir modifier la réalisation d’une fonction sans avoir à reconsidérer le

système dans son ensemble.

Un dossier justificatif de conception reprenant l’ensemble des concepts imaginés est disponible en

annexe 6. Pour chacun des modules, on ne détaillera pas tous les concepts proposés mais seulement

la solution retenue.

II.6.1. Architecture du système global

Le sous-système de chargeur automatique de média devra répondre aux problématiques de

stockage, chargement, déchargement mais aussi de prétraitement des supports (pelage, indexation)

et de diffusion (incubateur).

Pour remplir l’ensemble des fonctions mises en évidence dans l’analyse fonctionnelle, tout en restant

compatible avec les fonctions contraintes (cf. annexe 6), un certain nombre de solutions a été retenu.

Nous avons alors découpé le système global en plusieurs sous-systèmes (cf. Figure 23) :

1- Rack d’entrée incubé (sFP1). 2- Chargeur et indexeur de supports incubés (sFP3 et sFP5) 3- Outil de transfert incubé (sFP4) 4- Pinces (éléments qui ne font pas partis du chargeur de média mais permettant le traitement

des cassettes : déconnexion/reconnexion de la membrane et enlèvement du couvercle) 5- Station de marquage (ne fait pas parti du chargeur et permet le marquage : imbibation du

pad et spray de la membrane) 6- Rack liquide neuf (sFP2, sFP3 et sFP6) 7- Rack de diffusion (sFP8 et sFP9) 8- Pelage du Tyvek (sFP7) 9- Outil de transfert neuf (sFP4).





26

Un schéma général de ce système est représenté ci-après :

Figure 23 : Architecture du système

Concernant la gestion des déchets, on en retrouve trois types :

- Les supports liquides ou solides munis de leur média mais sans la membrane. C’est le seul

déchet biologique qui devra être introduit dans une poubelle spécifique (danger biologique).

- Le réactif de marquage et le liquide de rinçage de la pompe qui seront éjectés lors de

l’amorçage du système et de son nettoyage.

- Le Tyvek jeté lors du pelage.

On propose de concevoir une poubelle en trois parties se glissant sous

les modules le nécessitant.

II.6.2. Transferts

Le choix de la méthode de transfert des supports entre les différents modules de la station de

marquage automatisé découle du choix de l’agencement spatial proposé dans le cahier des charges

fonctionnel (cf. annexe 6).

Ainsi, trois agencements dans l’espace ont été proposés :

- Linéaire (les supports sont transférer de module en module selon un axe linéaire) - Circulaire (un outil de transfert au centre distribue les consommables aux différentes

stations) - Mixte (mélange des deux séquences précédentes)

Finalement, puisque le système devra distribuer deux types de consommables (support incubé ou

neuf) et qu’on devra transférer ces deux types de consommable au module de pince réalisant la

déconnexion de la membrane de son support, on retient une séquence en cercle.

Ainsi, on conçoit deux bras de transfert ce qui permet de découpler les différentes contraintes

issues de l’adaptation entre l’outil de transfert et les autres modules.

1- 2

3

4

5

6

7

8

9

Figure 24 : Poubelle





27

Le premier a pour fonction de transférer les supports incubés liquides ou solides du rack d’entrée

jusqu’à la pince de déconnexion en passant par un poste d’indexation permettant de placer les

oreilles des cassettes solides (cf. indexation). Ce module a pour principales contraintes de s’adapter à

la fois au système de chargement et au système de déconnexion. Ainsi, le bras devra permettre le

passage d’un piston accompagnant la descente des cassettes dans le bras (cf. chargement). Il devra

aussi amener les consommables au système de déconnexion avec la contrainte que quel que soit le

type de cassettes solides ou liquides, le bas du support soit toujours à la même hauteur.

Figure 25 : Bras de transfert des supports incubés

Le second bras a pour fonction de transférer le support neuf de la station de chargement jusqu’aux

pinces en passant par le système de pelage du Tyvek et de marquage. De plus, il devra amener la

cassette marquée et reconnectée jusqu’au rack de sortie et de diffusion. Enfin, sa principale

contrainte est la nécessité d’imposer un vide à l’intérieur de la cassette pour l’étape de reconnexion.

Un système d’étanchéité sera alors conçu sur le bras. Ce système permet de compresser un joint V-

Ring à l’aide d’un levier actionné par un moteur et une vis. Une fois le joint compressé, on peut

imposer le vide sous la cassette. De plus, en plus de réaliser l’étanchéité, le joint permet de maintenir

le support sur le bras pendant l’étape de pelage.

Joint

Parties fixes sur

l’axe vertical

Parties en mouvement

linéaire sur l’axe vertical

Figure 26 : Bras de transfert des supports neufs





28

Les efforts les plus importants à fournir par le bras de transfert interviennent lors du chargement des

cassettes neuves (cf. stockage, chargement et indexation des supports neufs). Connaissant d’une part

la longueur du bras et d’autre part l’effort à fournir (lié à la raideur du ressort utilisé lors du

chargement), on peut calculer le couple nécessaire. On choisit le moteur UBD1004 de Mellor Electric

imposant un couple de 390N.cm et une vitesse de 80tr/min accompagné d’un engrenage de rapport

1/3,5 (engrenage droit en acier de module 1 à 16 et 56 dents) pour un coût total de 125€.

II.6.3. Stockage, chargement et indexation des Milliflex incubés

Ce module, correspondant au rack d’entrée des cassettes incubées, à son chargeur et à l’indexation

des supports solides, devra répondre aux fonctions principales FP1, FP3 et FP5.

FP1 : Stockage des supports incubés

Parmi les différentes solutions évoquées lors de l’écriture des diagrammes FAST (cf. annexe 3) et

détaillé dans le dossier justificatif de conception (cf. annexe 6), la solution la plus évidente sera alors

celle retenue, un stockage des cassettes sur une pile.

De plus, le système de stockage doit répondre à des contraintes supplémentaires. Ainsi, on souhaite

que ce système puisse être insérer dans un incubateur en plaçant les consommables à l’envers

comme le préconise le protocole actuel.

Ainsi, une solution est proposée permettant le retournement

du rack contenant les consommable. Le but est donc de

pouvoir refermer le rack pour le sécurisé et pour retenir les

cassettes présentes et ce quelques soit le nombre de

consommable dans le rack.

Figure 27 : Rack de stockage des consommables incubés

Figure 28 : Couvercle de maintien des supports incubés





29

La solution proposée est un couvercle muni d’un système de levier à expansion qui comprime un

joint sur les parois du rack pour bloquer le couvercle.

FP3 : Chargement des cassettes incubées

A partir des solutions possibles décrites dans le cahier des charges fonctionnel (cf. annexe 3) et plus

particulièrement à partir des solutions consistant à utiliser au moins en partie la gravité pour le

chargement des consommables, un ensemble de 7 concepts a été modélisés. Ces derniers sont

décrits dans le dossier justificatif de conception (cf. annexe 6).

La difficulté majeure pour répondre à ce problème de chargement est que les supports sont

empilables. Il n’est donc pas possible d’effectuer une action latérale pour les décharger. On sera

donc obligé de séparer (verticalement) le consommable à charger de la pile avant de le transférer.

Une seconde difficulté est le fait que le rack de stockage doit être détachable du système. Il devra

donc pouvoir libérer les Milliflex quand il est introduit dans le système mais les maintenir lorsqu’il est

détaché.

Enfin, une fonction complémentaire est de permettre à l’utilisateur de retirer le rack avant la fin du

traitement des consommables.

C’est à partir de ces observations et toujours dans le cadre des solutions consistant à utiliser la

gravité que plusieurs déclinaisons sont présentées en annexe 6.

Cependant, parmi tous les concepts présentés en annexe 6, aucun ne sera entièrement retenu.

En effet, certaines solutions incluent une pince permettant de monter la pile de consommable. Elles

sont jugées non adéquates puisqu’il n’est pas nécessaire de fournir des efforts supplémentaires pour

soulever une pile de 10 cassettes lorsqu’on peut utiliser la gravité.

De plus, toutes les solutions proposées entrainent une chute « libre » des cassettes plus au moins

importante. Cette chute est jugée trop dangereuse (pas suffisamment robuste) pour être acceptée.

En effet, les supports pourraient se retourner ou se mettre dans une position non désirée.

Ainsi, pour remédier à ces problèmes, une dernière solution est en cours de modélisation. Elle

consiste à utiliser un piston pour accompagner la descente des cassettes à tout moment.





30

FP5 : Indexer les oreilles des cassettes solides

Le but de cette fonction est de faciliter la déconnexion de la membrane du support à l’aide d’une

pince. Connaissant l’emplacement des oreilles, on pourra d’une part les éviter lors de la préhension

de la membrane et d’autre part les utiliser pour maintenir le support de membrane.

Comme on peut l’observer sur la photo suivante, la difficulté de cette indexation est le fait que les

oreilles à indexer sont inscrites sous le couvercle et dépassent d’à peine 2mm du fond. Ainsi, cela

rend impossible un simple Poka Yoke6 dans le rack et par conséquent, nous oblige d’utiliser un

moyen d’orientation automatique. Il faudra aussi penser à l’arrivée de la cassette dans le module

d’indexation (par le dessus, le dessous, le côté).

Figure 29 : Oreilles de cassettes solides incubées

Connaissant ces particularités, on peut alors approfondir la recherche de solutions sous forme de

diagramme FAST concernant la détection/orientation pour réaliser l’indexation.

6 Poka Yoke est un terme japonais utilisé pour désigner un système « anti erreur », détrompeur.

Oreilles à

indexer





31

Les différents moyens de détection et d’orientation ont été mise en œuvre et sont détaillés dans le

dossier justificatif de conception (cf. annexe 6). Une estimation du coût est aussi réalisée :

Type

d’indexation

Avantages Inconvénients Nombre

d’actionneurs

Estimation

du coût

Manuelle Pas d’actionneur Impossible de dépiler 0 20€

Mécanique -Ce système ne nécessite pas de

capteurs.

-Nombre d’actionneur

-Problème si le doigt

arrive en même temps que

l’oreille.

-Maintien difficile

2 à 3 Entre 50 et

100€

Micro Rupteur -Résout le problème présent quand

le doigt arrive en même temps

qu’une oreille est présente.

-Nombre d’actionneur

-Peut gêner la rotation de

la K7

2 60€

Optique -Pas d’actionneur supplémentaire

Pas de contact

-Impose une bonne

précision de placement du

capteur.

1 35€

Finalement, pour éviter la gêne de la rotation de la K7 et supprimer le

besoin d’un actionneur supplémentaire pour l’avancé du micro rupteur,

on choisit d’utiliser une détection à distance tel qu’un capteur optique.

On peut facilement trouver des phototransistors avec LED à faible coût.

On peut soit capter l’oreille par le côté ou par le dessous (ou en biais).

Par le côté, l’épaisseur de 1mm de l’oreille rend difficile le

positionnement du capteur. Par le dessous, il est nécessaire d’être

suffisamment éloigné du fond pour éviter la réflexion sur ce dernier mais

il reste 2mm pour détecter l’oreille. On notera qu’il est nécessaire dans

Indexer K7

solides Détecter

Orienter

“Mécanique”

Optique

Micro rupteur

Mise en rotation

de la K7

Mise en rotation

de la base

Manuel (Poka Yoke)

Figure 31 : Indexation optique

Figure 30 : FAST pour l'indexation





32

ces deux cas de choisir un capteur qui ne détecte pas trop loin (« myope ») afin d’éviter de détecter

le couvercle ou le corps de la K7.

Pour étudier ce principe, on a utilisé deux types de capteurs :

- CNY70 qui a des « yeux » suffisamment fin (entre 1 et 1,5mm de diamètre) pour une bonne détection.

- OPB 704, plus gros mais dont les « yeux » sont focalisés pour détecter un point et qui permet de détecter à une distance plus grande. Ce capteur s’avère plus adapté à notre situation.

Avantage : - Pas d’actionneur supplémentaire - Pas de contact

Inconvénient : - Impose une bonne précision de placement du capteur.

Concernant la mise en rotation de la cassette, la solution la plus simple et la plus robuste est de

s’appuyer sur le couvercle de fond de la cassette pour la faire tourner.

Le problème qui se pose alors est celui de l’adaptation entre le système de transfert et le système

d’indexation. On peut par exemple inclure l’indexation dans le bras de transfert et faire monter soit

via un piston soit via une came le moteur d’indexation pour mettre la cassette en rotation.

Figure 33 : Indexation dans le bras de transfert

Bras Support moteur

Came 1

Came 2

Plateau tournant

Support capteur

Bras de transfert

Bâti

Support moteur

Plateau indexeur

Bâti - CAME

Figure 32 : Schéma cinématique du bras de transfert de supports incubés





33

Solution retenue pour ce module

La solution retenue s’appuie sur les différents concepts proposés.

Concernant le stockage, on retient un système de rack formé de barres

auquel on ajoute un couvercle en croix venant se serrer sur les barres

pour effectuer le maintien des cassettes lors du retournement.

Concernant le maintien des cassettes hors du système, on retient une

trappe formée de trois doigts sous le rack, maintenues fermées par des

ressort en flexion. C’est en insérant le rack que l’utilisateur ouvre ces

trappes.

Concernant le chargement, on ne souhaite pas soulever la pile mais seulement la maintenir. De plus,

on souhaite éviter toute chute de consommables dans le rack. Il sera donc nécessaire d’utiliser un

moyen pour accompagner la descente des Milliflex.

Pinces de

maintien

Moteur

d’indexation Actionneur

linéaire

Actionnement des pinces

(bielle manivelle)

Plateau

d’indexation

Figure 34 : Rack de cassettes incubées

Figure 35 : Chargeur de supports incubés





34

On utilise donc un actionneur linéaire auquel on assemble un moteur permettant la mise en

rotation de la cassette et un capteur optique pour l’indexation. On utilise aussi un système bielle

manivelle pour la mise en mouvement symétrique des pinces.

De plus, il faudra adapter la forme du bras de transfert pour pouvoir transferer un consommable du

piston jusqu’au bras.

La principale différence par rapport aux autres solutions proposées est qu’on ne maintien pas la pile

à partir du second support mais toute la pile. Ainsi, la séquence de chargement est la suivante :

- Insertion du rack et ouverture mécanique de la trappe. Le piston est en haut et retient la pile. - Descente du piston de la hauteur d’une cassette. La pince est alors en face de la seconde

cassette. - Fermeture de la pince. - Descente du piston puis indexation de la cassette. - Descente du piston dans le bras puis départ du bras - Remonté du piston jusqu’à la première cassette. - Ouverture des pinces puis retour à la seconde étape.

Bâti

Piston

Plateau indexeur

Pinces de

maintien

Bielles Manivelles

(double)

Liaisons

actionnées

Figure 36 : Schéma cinématique de la solution de chargement et indexation des supports incubés





35

II.6.4. Stockage, chargement et indexation de la languette des MFX liquides neufs

Dans la phase de conception du système de chargement automatique du Milliflex Quantum phase II,

on a identifié des fonctions principales du système : « Stocker N médias (liquide neuf) » et « Charger

N médias (liquide neuf) » dans le système. De plus, une fonction contrainte du système, dû à la

méthode de pelage choisie est « Indexer la languette du Tyvek des MFX liquide neufs ».

Là encore, plusieurs solutions ont été proposées et sont détaillées dans le dossier justificatif de

conception (cf. annexe 6).

Finalement, pour répondre aux trois fonctions citées auparavant, on retient un stockage par pile

dans un rack avec une fente pour une indexation manuelle et un chargement à l’aide d’une trappe

avec un ressort de rappel actionnée par le contact du bras de transfert.

Pour la mise en œuvre de cette solution, l’usinage des pièces est réalisé et le choix d’un ressort est

effectué. La raideur doit être suffisamment importante pour permettre de vaincre le frottement de la

trappe et ainsi garantir son retour mais elle ne devra pas être trop grande pour ne pas nécessité un

actionneur trop encombrant et couteux pour le mouvement du bras. Ainsi, on choisit une raideur de

1 N.mm et une longueur de 110 mm pour le ressort sachant que la longueur de travail est de 75mm.

Connaissant les caractéristiques du ressort, on peut calculer le couple nécessaire au moteur

actionnant la rotation du bras de transfert.

On rencontre cependant quelques difficultés avec cette solution. En effet, les supports neufs étant

légèrement conique, un risque de coincement est possible. Pour remédier à ce problème, un

ajustement précis est nécessaire ainsi que l’ajout de chanfreins dans le rack et sur la trappe.





36

Figure 37 : Chargeur de cassettes neuves

Bâti

Bras de

transfert

Trappe

(CAME)

Figure 38 : Schéma cinématique du chargement des cassettes neuves





37

II.6.5. Pelage du Tyvek


on a identifié une fonction contrainte du système : « Apporter les cassettes « prêt à l’emploi » aux

stations de travail ». Cette fonction a comme sous fonction « Effectuer le pelage des MFX liquides

neuves ». Lors de la recherche de solutions et suite à la séance de brainstorming initié par Emre

Salmanoglu, on peut regrouper les solutions proposées et leurs notes obtenues lors de la réunion

dans le tableau suivant :

Solutions Détection Mise en place Dessus Coté Seul Votes

Fonte de la soudure NON OUI X NON III

Découpage du Tyvek par lame NON NON X NON

I Découpage du Tyvek par emporte-

pièce NON OUI X NON

Insertion d’un élément tranchant OUI OUI X NON I

Ajout d’une languette additionnelle

(sticker) NON NON X OUI II

Aspiration/Ventouse OUI X OUI III

Préhension du bord OUI NON X OUI

IIIIII Préhension de la languette OUI NON X OUI

Figure 39 : Solutions de pelage

Certaines des solutions énoncées ont été mise en œuvre pour finalement retenir celle qui aura fait

l’unanimité des participants à la session de créativité, la préhension de la languette.

Suite à l’étude de l’angle possible formé par la languette (cf. annexe 6), on en déduit la trajectoire

idéale que le moyen de préhension doit réaliser pour attraper la languette à chaque fois :

Il faut donc coupler les mouvements tracés par les deux

flèches rouges.

Le but maintenant est de réaliser un mouvement le plus proche de cette trajectoire idéale tout en

limitant le nombre d’actionneurs et en favorisant la simplicité du mécanisme. On proposera pour

cela trois concepts, le premier est une solution approchant la trajectoire idéale et le second une

solution réalisant exactement cette trajectoire. Le dernier concept envisagé est une préhension

manuelle de la languette dans le rack.

On retiendra finalement le second concept puisqu’il sera le plus robuste quant à la préhension de la

languette et que le pelage reste simple avec uniquement un actionneur.

Figure 40 : Position de la languette





38

Cette solution permet de réaliser la trajectoire optimale présentée plus haut. Un système bielle

manivelle permet d’entrainer la partie basse de la pince dans un mouvement vertical. Une came

formant un angle de 35 degrés avec l’axe vertical permet de convertir le mouvement vertical de la

pince du bas en un mouvement horizontal pour entrainer la partie haute de la pince. Il suffira alors

de faire tourner l’outil de transfert pour peler le Tyvek.

Cependant, ce mécanisme ne permet pas d’apporter la force nécessaire à la préhension de la

languette pour le pelage. Ainsi, un système composé d’un aimant et d’un mécanisme à ressort

apportera la force adéquate à la préhension.

L’aimant, placé dans la partie haute de la pince, va attirer

la vis de la partie basse de la pince lorsque celles-ci sont

fermées et la languette sera maintenue.

Lors de l’ouverture de la pince, un ressort permet de faire

rentrer la vis dans la pince. Enfin, l’écrou permet de

régler la compression du ressort et donc de diminuer la

force de maintien de la languette pour que le décrochage

de l’aimant se fasse plus aisément.

Aimant

Système Vis,

Ecrou et Ressort

Actionnement

Trajectoire de la pince

Figure 41 : Système de pelage

Figure 42 : Optimisation du système de pelage





39

Figure 43 : Fonctionnement du système de pelage

On utilise un moteur 12V de

Micromotors (RH158-12-250 ) assurant

un couple maximal de 1N.m et une

vitesse de 21 tr/min pour un coût

d’environ 35€. (Puissance nominale de

8W)

Le couple nécessaire à décrocher les

aimants et faire bouger la pince à été

mesuré à l’aide d’un capteur de force.

Bâti

Manivelle

Bielle

Pince vertical

Système Vis,

Ecrou et Ressort

Came

Pince

horizontal

Aimant

35°

Figure 44 : Schéma cinématique du système de pelage





40

II.6.6. Diffusion et déchargement des MFX traités


on a identifié des fonctions principales du système : « Décharger la station de marquage », « Stocker

N médias (traités) » et « Charger la station de lecture ». De plus, une fonction contrainte du système

est « Permettre la diffusion du réactif de marquage ». Ainsi, deux fonctions complémentaires du

système ont été identifié « Effectuer la diffusion du réactif de marquage » et « Effectuer le

monitoring de la température ».

Ainsi, il a fallu, avant de concevoir un système réalisant ces fonctions, effectuer des études

préliminaires concernant d’une part la disposition optimale des consommables pendant l’étape de

diffusion et d’autre part les différentes technologies de chauffage existantes. (cf. annexe 4 et 5).

Ainsi, concernant le choix de la technologie de chauffage à mettre en œuvre, une convection forcée

effectuée à l’aide d’une résistance chauffante et de ventilateurs a été retenue. La température est

alors contrôlée à l’aide de thermocouples.

De plus, le choix de la séquence réalisé par le système global impose d’effectuer la diffusion dans le

système. Ainsi, la conclusion établie dans l’étude préliminaire concernant l’homogénéité de

température impose une séparation des supports.

Enfin, le protocole actuel propose de retourner les supports pour une meilleure imprégnation du

réactif. Par conséquent, cette séparation (et retournement) peut être effectuée par le système de

déchargement et de stockage. On cherche alors une solution globale répondant à toutes les

fonctions énoncées pour ce module.

Comme auparavant, un diagramme FAST regroupant différentes

solutions est détaillé dans le dossier justificatif de conception (cf.

annexe 6).

La solution alors retenue permettant d’effectuer le déchargement, de

la station de marquage, le retournement des supports, la diffusion et

le chargement automatique de la station de lecture ou l’enlèvement

manuel des supports par un utilisateur est l’utilisation d’une chaine à

palette munie de pinces.

On utilise une chaine à palette CAP820-82 de HPC accompagné de sa

roue et son pignonPT820 et PR820.

Le couple d’entrainement nécessaire est mesuré à 2N.m. On pourra

alors choisir un moteur de couple 3.9N.cm et de vitesse de 80tr/min

(moteur UBD1004 de Mellor Electric) munie d’un entrainement par

courroie de rapport 1/10.

Figure 45 : Rack de diffusion et de sortie

Roue d’entraînement

de la chaine

Maillon de

chaine à palette

Pince

Emplacement pour

résistance de chauffe et

ventilateur





41

D’autre moyens de transfert sont possibles (double chaine, tasseaux, …). Cependant, la chaine à

palette en plastique à l’avantage d’effectuer un retournement « en douceur » et de ne pas avoir

besoin de graissage. Par contre, la chaine peut de détendre et il peut être nécessaire d’inclure un

système rattrapant ce jeu.

Concernant la pince, elle permet de maintenir le support

liquide en vue de son retournement. Ainsi, en se refermant,

elle retient le bas de la cassette.

La pince, dans le mouvement de monté de la chaine

récupère la cassette posée sur le bras de transfert et se

referme à l’aide d’une came. Elle est alors maintenue

fermée grâce à un mécanisme de clips à ressort.

A la fin de la séquence de diffusion, l’utilisateur ou le

système de lecture peut libérer le consommable en exerçant

une pression sur le mécanisme de fermeture de la pince.

Deux ressorts placés à l’arrière de la pince permettent alors

son ouverture.

La solution précédemment évoquée a l’avantage de répondre parfaitement à toutes les fonctions

souhaitées et permet même un transfert automatique avec la station de lecture. Ainsi, cette dernière

serait muni d’un outil de transfert permettant l’ouverture de la pince (sans actionnement mais à

l’aide de la descente de la pince) et le transfert vers une caméra effectuant la lecture sous la

cassette. Cependant, ce système reste très encombrant en hauteur (plus d’un mètre de haut).

De plus, aujourd’hui, la volonté n’étant plus de relier la station de marquage à la station de lecture,

une contrainte est libérer et une autre solution est envisagée pour réduire l’encombrement vertical.

Ainsi, on imagine une autre solution s’appuyant sur les concepts évoqués sur les diagrammes FAST

correspondant en annexe 6. On souhaite effectuer une première étape de retournement unitaire des

supports pour les déposer sur un plateau en rotation où est effectuée la diffusion. A la fin de l’étape

de chauffe, un actionneur linéaire pousse chaque support vers le haut dans un rack pour former une

pile. Cette solution est en cours de modélisation.

Mécanisme de

verrouillage

Pinces

Support fixe

Emplacement des

ressorts d’ouverture

Emplacement du

ressort de

verrouillage

Figure 46 : Pince de diffusion





42

II.7. Commande du système et câblage La commande du système complet s’effectue à l’aide de la boîte à outil xPC Target du logiciel

Matlab/Simulink. Plusieurs cartes d’entrée/sortie permettent l’acquisition des informations fournies

par les capteurs et la commande des actionneurs.

Un programme Simulink permet de transcrire

l’action d’un grafcet.

II.8.1. Grafcet linéaire

Un grafcet simplifié, réalisant les actions une après

l’autre (linéaire) est rédigé.

Ainsi, comme le montre le diagramme ci-contre, on

commence par une étape d’initialisation. Ensuite, le

système incrémente le nombre de consommables

traités, charge et indexe une cassette incubée et

effectue la déconnection. Puis, on charge un support

neuf, le maintien sur le bras, le pèle, l’imbibe de

réactif et reconnecte la membrane et enlève le

couvercle. Enfin, on spray, remet le couvercle et

effectue la diffusion. Suivant l’état du système, on

recommence à l’étape 2 ou on termine le cycle.

Les différentes séquences détaillées sont disponibles

en annexe 7.

Plateau de

diffusion

Cassette

Pince de

retournement

Piston

Rack de sortie

Figure 47 : Concept de diffusion et déchargement par plateau

0

Mise en route

1 Initialiser

Schéma Principal

=1

3 Charger K7 incubée

=1

4 Indexer

=1

5 Déconnecter

=1

6 Charger K7 Neuve

=1

8 Peler

=1

9 Imbiber

=1

10Reconnecter et

enlever le couvercle

=1

7 Maintenir

=1

11 Sprayer

=1

12 Remettre le couvercle

=1

13 Diffuser

=1

2 GL_Nb_K7 := GL_Nb_K7 + 1

15 Finaliser (Chauffer +

Nettoyage final)

( RI_K7_P + RN_K7_P + GL_Nb_K7>=10 ) + IHM_IA_P(RI_K7_P + RN_K7_P )

x IHM_IA_P x

GL_Nb_K7 < 10

=1

=1

14 Nettoyer

Etapes

unifiées (34)

0

Mise en route

1 Initialiser

Schéma Principal

=1

3 Charger K7 incubée

=1

4 Indexer

=1

5 Déconnecter

=1

6 Charger K7 Neuve

=1

8 Peler

=1

9 Imbiber

=1

10Reconnecter et

enlever le couvercle

=1

7 Maintenir

=1

11 Sprayer

=1

12 Remettre le couvercle

=1

13 Diffuser

=1

2 GL_Nb_K7 := GL_Nb_K7 + 1

15 Finaliser (Chauffer +

Nettoyage final)

( RI_K7_P + RN_K7_P + GL_Nb_K7>=10 ) + IHM_IA_P(RI_K7_P + RN_K7_P )

x IHM_IA_P x

GL_Nb_K7 < 10

=1

=1

14 Nettoyer

Etapes

unifiées (34)

Figure 48 : Grafcet linéaire





43

II.8.2. Grafcet optimisé

On peut aussi concevoir un grafcet optimisé puisque

plusieurs actions peuvent être réalisées en même

temps.

Par exemple, on peut à la fois effectuer le cycle de

traitement des cassettes incubées et celui des

supports neufs (car les bras de transfert sont

découplés). Il faudra alors considérer la pince comme

une ressource partagée.

Pour ce faire, on découpe le programme en 8 taches

simples et linéaires. A partir de là, on effectue un

tableau des autorisations permettant d’identifier à

quel moment une tache peut débuter. On peut alors

écrire et simplifier le grafcet optimisé. (cf. annexe 8)

II.8.3. Programmation XPc Target

On programme les grafcet sous Simulink. Le code peut se découper en 4 parties :

- Déclaration des variables (entrée/sortie/interne). On utilise des variables globales pour simplifier la lecture du programme.

- Mode de sécurité (Failsafe). Ce mode de sécurité permet soit d’arrêter totalement le programme (bouton d’arrêt d’urgence), soit de le mettre en pause (bouton marche/arrêt). Suivant le temps d’appui du bouton marche/arrêt, on pourra soit recommencer la séquence où elle s’est arrêtée, soit redémarrer au début du cycle.

- Affichage. Permet d’afficher des graphiques sur un écran pendant le cycle.

- Grafcet. On peut réaliser les séquences du grafcet à l’aide des blocs « case » de Simulink comme le montre la figure ci-contre illustrant le sous grafcet d’initialisation.

3

4

=1

5

8

9

10

11

12

0

Mise en route

1 M1: Initialisation

T1

P1

P2

P3

T2

T3

P4

T4

=1

=1

=1

=1

=1

=1

=1

Schéma global simplifié & optimisé

13 FIN

2 Nb:=Nb+1

6 Rien

Nb>10 + PK7 + PK7N

PK7 + PK7N

Nb>10 + PK7 + PK7N

PK7 * PK7N7 Degagement du bras

=1

3

4

=1

5

8

9

10

11

12

0

Mise en route

1 M1: Initialisation

T1

P1

P2

P3

T2

T3

P4

T4

=1

=1

=1

=1

=1

=1

=1

Schéma global simplifié & optimisé

13 FIN

2 Nb:=Nb+1

6 Rien

Nb>10 + PK7 + PK7N

PK7 + PK7N

Nb>10 + PK7 + PK7N

PK7 * PK7N7 Degagement du bras

=1

Autorise/ Fin de T1 T2 T3 T4 P1 P2 P3 P4

T1 x x

T2 x

T3 x

T4 x

P1 x x

P2 x

P3 x x

P4 x

Légende

T1 /

T2 / / / Peler / Imbiber

T3 /

T4 /

P1 /

P2 /

P3 / /

P4 /

Charger K7 neuve

Charger K7 incubée

Passage Diffusion

Refermer le couvercle

Indexer

Maintien K7

Monter

Enlèvement couvercleVide

Diffusion

Prendre cassette

Déconnecter

Reconnecter

Sprayer

Figure 49 : Grafcet optimisé

Figure 50 : Programmation du sous grafcet initialisation





44

II.8.4. Commande moteur

Les moteurs à courant continu utilisés sont contrôlés à partir d’un signal à modulation de largueur

d’impulsion (Pulse Width Modulation). Ce signal carré de fréquence fixée à 50Hz permet d’imposer

une tension moyenne allant de 0 à Umax aux bornes de l’actionneur.

Simulink ne dispose pas de fonction permettant d’imposer une valeur variable de PWM7. Ainsi, on doit utiliser une fonction d’une boite à outil de Matlab, la fonction square(t,duty,period)avec le temps t tel que : t=2*pi*1/period*t pour obtenir un signal carré de type PWM. En fournissant en entré de ce bloc, le temps t du modèle, la valeur en pourcentage de la largeur

d’impulsion (duty cycle) et la période de la PWM, on pourra alors contrôler la vitesse du moteur.

Enfin, l’intégration d’une constante (la pente) permet de créer une rampe de vitesse pour limiter le

pique de courant au démarrage du moteur.

Figure 51 : Schéma Simulink de la commande des moteurs

II.8.5. Contrôle des positions

Le contrôle de la position des actionneurs se fait à l’aide de micro rupteurs (en fin de course) et

de capteurs optiques. Ces deux types de capteurs sont disponibles à faible coût. La plus part des

micro rupteur utilisé sont les capteurs Omron D3V-16-1A4 de force

d’actionnement de 1.96N.

Les capteurs optiques (CNY70) sont disposés sur chaque module et

permettent d’identifier la présence du bras de transfert. On mesure le

signal analogique en sortie du capteur à l’aide de la carte I/O101 disposant

de convertisseurs analogiques numériques. On impose alors un seuil qui

permet d’adapter ce composent en capteur de présence « tout ou rien ». Le

capteur OPB 704 utilisé pour l’indexation des cassettes solides est câblé de la

même manière.

Cependant, en utilisant ce type de capteur, l’inertie du moteur entraine

7 La fonction « Pulse Generator » permet de fournir une valeur fixe de PWM.

5V

I/O 101

Figure 52 : Câblage d'un CNY70

t=2*pi*1/period*t; % If no duty specified, make duty cycle 50%. if nargin < 2 duty = 50; end if any(size(duty)~=1), error(generatemsgid('SignalErr'),'Duty

parameter must be a scalar.') end % Compute values of t normalized to (0,2*pi) tmp = mod(t,2*pi); % Compute normalized frequency for breaking

up the interval (0,2*pi) w0 = 2*pi*duty/100; % Assign 1 values to normalized t between

(0,w0), 0 elsewhere nodd = (tmp < w0); % The actual square wave computation s = 2*nodd-1;

Fonction écrite à partir de la fonction

square de Matlab :





45

une erreur de positionnement. Pour cette raison, il peut être intéressant d’utiliser un codeur

angulaire (ou un moteur pas à pas) permettant de connaitre la position de l’actionneur à chaque

instant. On réduirait alors la vitesse du moteur à l’approche de la position à atteindre

(commande de type PID, asservissement en position).

II.8.6. Régulation de la température dans la diffusion

Pour effectuer la régulation de la température lors de l’étape de diffusion, on utilise un

thermocouple de type K associé à un amplificateur spécifique 0-10V (DSCA37). Le programme

Simulink effectue une moyenne de l’acquisition du signal analogique du capteur par la carte IO101.

Une transformation non linéaire est alors nécessaire pour convertir le signal du thermocouple en une

valeur de température en degré Celsius. Trois fonctions polynomiales d’ordre 9 dépendant de la

valeur mesurée permettent d’approcher avec une très bonne précision cette transformation.

Concernant la régulation, on réalise une commande à hystérésis à l’aide du bloc « Relay » de

Simulink. Lorsque la température dépasse un seuil haut (34°C), on coupe la résistance chauffante et

le ventilateur et la température diminue. Lorsque la température passe en dessous d’un second seuil

bas (31°C), on relance les éléments de chauffage et la température remonte. Cette régulation est

suffisante car le protocole actuel impose une température comprise entre 30 et 35¨C.

II.8.7. Câblage

Les capteurs utilisés seront soient de type « tout ou rien » (micro rupteur) imposant une tension de 0

à 24V en entrée de la carte soient de type analogique (capteur optique ou résistance linéaire) dont la

carte, munie d’un convertisseur analogique numérique, mesure une tension entre 0 et 5V.

Concernant les actionneurs, on les commande par le biais de relais reed à plusieurs entrées/sorties.

Leur câblage, en pont en H, permet l’inversion du sens des moteurs à courant continu. Suivant la

puissance des moteurs, ils peuvent être directement connectés à la carte d’acquisition (au maximum

0,5A par broche) ou devront être alimenté par un second relais ou par un contrôleur à pont en H

réalisant à la fois l’inversion du sens et le découplage de puissance.

On utilise, comme le montre la figure suivante trois cartes d’entrée/sortie. La carte IO 101, disposant

d’entrée analogique permet l’acquisition des capteurs optiques et du thermocouple. La carte IO 205

est utilisée pour commander les moteurs 12V alors que la carte IO 204 permet l’acquisition des

micro-rupteurs et la commande des actionneurs 24V.




RAPPORT CONFIDENTIEL 46

Figure 53 : Schéma de câblage du système





47

47

II.8. Résultats Finalement, en partant d’un document présentant

brièvement le but du projet, cette étude a permis d’une

part d’identifier les fonctions que le produits devra

réaliser et les séquences qu’il devra suivre et d’autre part

de mettre en œuvre différents concepts pour en prouver

leur fonctionnement.

Aujourd’hui, deux tiers du système a été prototypé : la

pince de déconnexion ainsi que le chargement et le

traitement des supports neufs. Ce prototype rempli les

fonctions pour lesquelles il a été conçu mais ne

correspond pas à un système final intégré, facilement

usinable et assemblable. Il reste encore plusieurs

itérations à réaliser pour optimiser les concepts évoqués

et les rendre plus performants et robustes.

On peut enfin établir un récapitulatif des composants standards utilisés dans les différents modules

et ainsi obtenir une estimation du coût lié à ces

produits :

Système Fonction Composant Référence Nb Caractéristiques CoûtCoût

système

Retournement lors du stockage Levier à expansionSouthco (RS 245-

5553)1 5,61 €

Accompagnement de la

descente des supportsActionneur linéaire - 1 Estimation du coût 100,00 €

Actionnement des pinces Motoréducteur CC - 1 Estimation du coût 35,00 €

Fin de course actionneurs Micro rupteurs Omron D3V-16-1A4 6 0.98N (actionnement) 0,93 €

Indexation Motoréducteur CCMicromotors L149-

12-1881 14N.cm ; 14tr/min ; 12V, 0.5A 25,00 €

Indexation Capteur optique Omron OPB704 1 Distance nominale 3.8mm 5.68€

Outil de transfert

incubéRotation du bras Motoréducteur CC

Micromotors L149-

12-1881 14N.cm ; 14tr/min ; 12V, 0.5A 25,00 € 25,00 €

Rotation du bras Motoréducteur CCMellor Electric

UBD10041 390N.mm ; 80tr/min ; 24V 58,23 €

Rotation du bras Engrenage droit RS STS10/18B 1 18 dents module 1 acier 16,95 €

Rotation du bras Engrenage droit RS STS10/56B 1 56 dents module 1 acier 49,20 €

Chargement Ressort RS 121-242 1110mm à vide ;K= 0.99N.mm ;

25.5mm minimum4,21 €

Fin de course Micro rupteurs Omron D3V-16-1A4 1 0.98N (actionnement) 0,16 €

Actionnement des pinces Motoréducteur CCMicromotors RH158-

12-2501 1N.mm ; 21tr/min ; 8W 35,10 €

Fin de course Micro rupteurs Omron D3V-16-1A4 2 0.98N (actionnement) 0,31 €

Arrêt du bras au poste Capteur optique Vishay CNY70 1 Distance nominale <0.5mm 0,20 €

Transport Chaine à palette HPC CAP820-82 1 76,38 €

Transport Roue libre HPC PR820-21-24 1 20 dents 27,00 €

Transport Pignon HPC PT820-21-25 1 21 dents 27,00 €

Rotation de la chaine Motoréducteur CC - 1 Estimation du coût 60,00 €

Rotation de la chaine Engrenage droit - 2 Estimation du coût 70,00 €

Arrêt de la chaine Capteur optique Vishay CNY70 1 Distance nominale <0.5mm 0,20 €

Arrêt du bras au poste Capteur optique Vishay CNY70 1 Distance nominale <0.5mm 0,20 €

DiffusionRésistance

chauffanteRittal 3115000 1 30W 80,60 €

Diffusion Ventilateurs RS OD9225-24HS 62.6W ; 88.4m3/h ; dim.

92x92x2544,04 €

Contrôle température Thermocouple K RS 621-2170 1 précablé 5,73 €

Contrôle température Amplificateur Dataforth DSCA37 1 Conditionneur thermocouple K 70,00 €

Commande moteurs Relais TQ2-12V 4 Relais haute fréquence 12V 21,00 €

Commande résistance Relais GNA5 1 Relais de puissance 21,40 €

Commande moteurs Driver LMD18200T 2 Driver MCC 26,26 €

885,72 €

Rack d'entrée incubé

Outil de transfert neuf

Rack d'entrée neuf

Pelage

Diffusion

Commande

Coût total

166,54 €

124,38 €

4,37 €

35,61 €

461,16 €

68,66 €

Figure 54 : Prototype final

Figure 55 : Récapitulatif des éléments standards et coût





48

48

Discussion et Conclusion

Finalement, ce projet de fin d’étude a permis d’initier l’étude de faisabilité et de conception du

projet Quantum phase 2. La recherche d’antériorité suivie de l’analyse fonctionnelle ont pu poser les

bases de l’étude. De même, des études préliminaires font parties des piliers sur lesquels s’appuie

maintenant le projet. De plus, la phase de conception accompagnée de nombreuses itérations a

permis d’élaborer des solutions fonctionnelles répondant en grande partie au cahier des charges

rédigé en début de projet. On aura pu à travers les différentes étapes de la démarche faire des choix

techniques raisonnés en ce qui concerne la séquence à automatiser, les concepts des multiples

modules ou l’intégration du système global.

Cependant, au vu de la complexité du système, l’objectif de réalisation d’un prototype fonctionnel

robuste mais non représentatif permettant de convaincre de la faisabilité du produit n’est pas

entièrement atteint. En effet, premièrement, le système n’a pas été entièrement prototypé. Bien que

plusieurs itérations aient été réalisées et que certains principes aient été démontrés, le système de

chargement des supports incubés est encore en cours de conception et de réalisation. De même, le

système est encore sous une forme modulaire et n’est pas complétement assemblé. Ainsi, les pinces

de déconnexion sont aujourd’hui détachées du système de chargement, de prétraitement et de

marquage des supports neufs. Enfin, le prototype existant n’est pas totalement optimisé et robuste.

On espère cependant qu’une réalisation plus industrielle, de meilleure qualité permettra d’atteindre

les performances attendues.

Ainsi, les travaux restants, pris en charge par Luc Felden et Sylvain Riballet, concernent la

reconception des concepts démontrés durant ce stage permettant de réaliser un prototype plus

performant et plus représentatif d’un système final. Il faudra alors d’une part rédiger un cahier des

charges à destination d’un partenaire industriel et d’autre part réaliser une Analyse des Modes de

Défaillance, de leurs Effets et de leur Criticité du système afin d’améliorer les performances et la

sécurité. Cependant, le projet est actuellement figé et son avenir reste incertain. Le projet pourra

redémarrer ultérieurement mais il est possible qu’il ne soit jamais commercialisé.

Enfin, ce projet s’étalant sur près de six mois m’a donné goût au travail d’équipe sur un sujet

technique de conception d’un produit mécatronique alliant créativité par la recherche de solution et

intérêt technique par la conception et le dimensionnement mécanique, l’usinage, la réalisation

électronique et la commande. Bien que faisant partie d’un groupe de 40 000 personnes et étant sur

un site comptant près de 1 000 employés, le laboratoire de R&D, détaché de la production, reste à

échelle humaine et l’équipe de conception Hardware and Software est composé que de très peu

d’ingénieurs. C’est dans ce contexte qu’il est possible de travailler sur des sujets pluridisciplinaires et

que j’ai eu la chance de participer à la vie d’un projet complet à partir de son lancement. De plus, le

cadre d’une grande entreprise internationale permet d’avoir les moyens nécessaires au bon

déroulement d’une étude technique. Ce fut une réelle expérience industrielle de conception

mécatronique.





49

49

Table des illustrations Figure 1 : Darmstadt, siège de Merck...................................................................................................... 4

Figure 2 : Millipore à Molsheim ............................................................................................................... 4

Figure 3 : Merck Millipore dans le monde ............................................................................................... 5

Figure 4 : Division Merck Millipore .......................................................................................................... 5

Figure 5 : Organisation de la « business fields » BioMonitoring et positionnement du stage ................ 6

Figure 6 : Produits du BioMonitoring ...................................................................................................... 7

Figure 7 : Lecteur Milliflex Quantum ....................................................................................................... 7

Figure 8 : Procédure de prototypage rapide avec RTW ........................................................................... 9

Figure 9 : Composition de l'environnement de prototypage xPC Target ............................................... 10

Figure 10 : Milliflex Quantum ................................................................................................................ 11

Figure 11 : Membrane transfer tool ...................................................................................................... 12

Figure 12 : Removal Rack ...................................................................................................................... 12

Figure 13 : Principe de marquage fluorescent ....................................................................................... 12

Figure 14 : Spectre d'excitation du fluorophore .................................................................................... 13

Figure 15 : Protocol Quantum 1 ............................................................................................................ 11

Figure 16 : Cassette solide incubée........................................................................................................ 14

Figure 17 : Vue éclatée des Supports liquides et solides ....................................................................... 13

Figure 18 : Support liquide neuf ............................................................................................................ 14

Figure 19 : "Bête à corne" ...................................................................................................................... 18

Figure 20 : "Diagramme pieuvre" .......................................................................................................... 19

Figure 21 : Système Quantum 1+ .......................................................................................................... 22

Figure 22 : Système Quantum 2 ............................................................................................................ 22

Figure 23 : Architecture du système ...................................................................................................... 26

Figure 24 : Poubelle ............................................................................................................................... 26

Figure 25 : Bras de transfert des supports incubés................................................................................ 27





50

50

Figure 26 : Bras de transfert des supports neufs ................................................................................... 27

Figure 27 : Rack de stockage des consommables incubés ..................................................................... 28

Figure 28 : Couvercle de maintien des supports incubés ....................................................................... 28

Figure 29 : Oreilles de cassettes solides incubées ................................................................................. 30

Figure 30 : FAST pour l'indexation ......................................................................................................... 31

Figure 31 : Indexation optique ............................................................................................................... 31

Figure 32 : Schéma cinématique du bras de transfert de supports incubés .......................................... 32

Figure 33 : Indexation dans le bras de transfert .................................................................................... 32

Figure 34 : Rack de cassettes incubées .................................................................................................. 33

Figure 35 : Chargeur de supports incubés ............................................................................................. 33

Figure 36 : Schéma cinématique de la solution de chargement et indexation des supports incubés ... 34

Figure 37 : Chargeur de cassettes neuves ............................................................................................. 36

Figure 38 : Schéma cinématique du chargement des cassettes neuves ................................................ 36

Figure 39 : Solutions de pelage .............................................................................................................. 37

Figure 40 : Position de la languette ....................................................................................................... 37

Figure 41 : Système de pelage ............................................................................................................... 38

Figure 42 : Optimisation du système de pelage .................................................................................... 38

Figure 43 : Fonctionnement du système de pelage ............................................................................... 39

Figure 44 : Schéma cinématique du système de pelage ........................................................................ 39

Figure 45 : Rack de diffusion et de sortie............................................................................................... 40

Figure 46 : Pince de diffusion ................................................................................................................. 41

Figure 47 : Concept de diffusion et déchargement par plateau ............................................................ 42

Figure 48 : Grafcet linéaire .................................................................................................................... 42

Figure 49 : Grafcet optimisé .................................................................................................................. 43

Figure 50 : Programmation du sous grafcet initialisation ..................................................................... 43

Figure 51 : Schéma Simulink de la commande des moteurs ................................................................. 44





51

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Figure 52 : Câblage d'un CNY70 ............................................................................................................ 44

Figure 53 : Schéma de câblage du système ........................................................................................... 46

Figure 54 : Prototype final ..................................................................................................................... 47

Figure 55 : Récapitulatif des éléments standards et coût ..................................................................... 47

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8 Les brevets référencés dans la bibliographie sont cités dans l’analyse de l’état de l’art (cf. annexe 2).

9 Les références bibliographiques sont écrites selon la norme « Havard, Anglia 2008 »





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