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21 ème Congrès Français de Mécanique Bordeaux, 26 au 30 août 2013 1 Le squelette fonctionnel, le liant des enseignements techniques en IUT V.Blanchard a a. IUT GMP Bordeaux1, 15 rue Naudet CS10207, 33175 Gradignan cedex Résumé : La conception est la discipline qui regroupe tous les enseignements techniques et scientifiques. Les étudiants 1 doivent mobiliser des apprentissages pour lesquels ils n’ont pas de recul sur un laps de temps assez réduit. La réponse au besoin de l’étude de conception d’un coté et la quantité de connaissances très importante à mobiliser d’un autre coté bloquent les étudiants. Ils se retrouvent très vite perdus, ne sachant pas comment commencer l’étude. L’objectif de cet article est de proposer une méthodologie permettant d’amener l’étudiant ou le groupe d’étudiants à fournir une solution technologique fonctionnelle répondant à un cahier des charges. Abstract : The design is the discipline which concentrates all the technical and scientific educations. The students have to mobilize learnings for which they have no maturity on a short duration, the duration of the study of design. The answer to the needs for the study of design on one side and the quantity of information, knowledge to be mobilized, very important on the other hand block the students and they find themselves very fast lost, not knowing how to begin the study. The objective of this article is to propose a methodology allowing to bring the student or the group of students to supply a functional technology solution answering a need or a specifications. Mots clefs: conception, CAO, squelette fonctionnel, pédagogie, méthodologie, modeleur 3D, feuille de calculs 1 Recentrage des objectifs La solution finale totalement aboutie en réponse à une problématique souvent générale de conception ne peut pas être objectivement demandée. Aussi, la solution à notre problème sera attendue en termes de solutions techniques fonctionnelles. Ceci pouvant servir de base pour les enseignements métiers 2 . Dans ce cas là, la conception est repositionnée dans le processus d’apprentissage. Ce n’est plus une finalité mais un commencement. Les pièces définies fonctionnellement seront alors réutilisées pour une définition plus aboutie lors des apprentissages de fabrication ou analysées lors des apprentissages de métrologie. 2 L’organisation de la pensée, la structuration du travail Le besoin est la plupart du temps exprimé en termes de fonctions. L’analyse fonctionnelle nous donne une discrétisation du besoin en fonctions techniques à concevoir. Le travail de conception, au sens enseignement IUT, commence alors. Par soucis de continuité et de logique intellectuelle, toute l’étude de conception se fera dans la maquette numérique. Il y a deux intérêts à regrouper le travail sur un même support numérique : - Cela rassure les étudiants et le syndrome de la « page blanche » est vite évacué. 1 IUT GMP de Bordeaux1 (première et deuxième année) 2 Fabrication, production et industrialisation

Le squelette fonctionnel, le liant des enseignements techniques en

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21ème

Congrès Français de Mécanique Bordeaux, 26 au 30 août 2013

1

Le squelette fonctionnel, le liant des enseignements

techniques en IUT

V.Blancharda

a. IUT GMP Bordeaux1, 15 rue Naudet CS10207, 33175 Gradignan cedex

Résumé :

La conception est la discipline qui regroupe tous les enseignements techniques et scientifiques. Les

étudiants1 doivent mobiliser des apprentissages pour lesquels ils n’ont pas de recul sur un laps de

temps assez réduit. La réponse au besoin de l’étude de conception d’un coté et la quantité de

connaissances très importante à mobiliser d’un autre coté bloquent les étudiants. Ils se retrouvent très

vite perdus, ne sachant pas comment commencer l’étude.

L’objectif de cet article est de proposer une méthodologie permettant d’amener l’étudiant ou le

groupe d’étudiants à fournir une solution technologique fonctionnelle répondant à un cahier des

charges.

Abstract :

The design is the discipline which concentrates all the technical and scientific educations. The

students have to mobilize learnings for which they have no maturity on a short duration, the duration

of the study of design. The answer to the needs for the study of design on one side and the quantity of

information, knowledge to be mobilized, very important on the other hand block the students and they

find themselves very fast lost, not knowing how to begin the study. The objective of this article is to

propose a methodology allowing to bring the student or the group of students to supply a functional

technology solution answering a need or a specifications.

Mots clefs: conception, CAO, squelette fonctionnel, pédagogie, méthodologie, modeleur 3D,

feuille de calculs

1 Recentrage des objectifs

La solution finale totalement aboutie en réponse à une problématique souvent générale de conception

ne peut pas être objectivement demandée. Aussi, la solution à notre problème sera attendue en termes

de solutions techniques fonctionnelles. Ceci pouvant servir de base pour les enseignements métiers2.

Dans ce cas là, la conception est repositionnée dans le processus d’apprentissage. Ce n’est plus une

finalité mais un commencement. Les pièces définies fonctionnellement seront alors réutilisées pour

une définition plus aboutie lors des apprentissages de fabrication ou analysées lors des apprentissages

de métrologie.

2 L’organisation de la pensée, la structuration du travail

Le besoin est la plupart du temps exprimé en termes de fonctions. L’analyse fonctionnelle nous donne

une discrétisation du besoin en fonctions techniques à concevoir. Le travail de conception, au sens

enseignement IUT, commence alors.

Par soucis de continuité et de logique intellectuelle, toute l’étude de conception se fera dans la

maquette numérique. Il y a deux intérêts à regrouper le travail sur un même support numérique :

- Cela rassure les étudiants et le syndrome de la « page blanche » est vite évacué.

1 IUT GMP de Bordeaux1 (première et deuxième année)

2 Fabrication, production et industrialisation

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- Cela facilite les allers-retours entre les différentes phases du développement de l’étude (calcul,

forme, cotation, simulation).

2.1 Du cahier des charges aux principes de solutions technologiques

Prenons le cas de l’étude suivante Figure 1, réalisée en début de semestre 2.

Figure 1 - Eléments du cahier des charges servant à définir le travail à réaliser en conception

À ce stade de l’apprentissage et suivant l’avancement de l’analyse fonctionnelle, un schéma de

solutions peut commencer à apparaitre, comme présenté figure 2. On est encore loin de la définition de

la solution. Les seuls mouvements relatifs et actions mécaniques sont exprimés.

Classiquement, les étudiants sont capables de définir des schémas technologiques répondant aux

fonctions techniques. Cela met en place les composants standards (non dimensionnés) et les pièces qui

seront utilisés. Bien évidemment, au cours de la conception, ces schémas vont évoluer, mais les grands

principes de solution sont arrêtés.

Figure 2 - Schéma technologique de principe répondant au besoin

Chaque fonction technique fait référence à des points spécifiques vus lors de séquences pédagogiques

antérieures. Le choix pédagogique du support est primordial, son degré de difficulté doit être en

adéquation avec le niveau technologique des étudiants.

Ces schémas de principe peuvent alors être retranscrits en schémas technologiques dans la maquette

numérique sous forme de squelette (Figure 3) : l’ossature de la maquette numérique. C’est sur ces

FS1 : Déplacer la charge

Masse Vitesse de translation Longueur de guidage longitudinale transversale

M=500 kg V=0,25 m/s Ll=7,92 m Lt=7,32m

Maxi Maxi F0 F0

FT10 : Guider en rotation les galets

Largeur bande de roulement du rail Galet en DELRIN Module d’Young Limite élastique Coefficient de Poisson

L = 21.5 mm E = 3,5 GPa Rp 0,2 = 65 MPa u = 0,4

+/- 0,5mm F0 F0 F0 F0

FT11 : Guider en translation le chariot

Nombre de galets Empattement Longueur de passage du rail Effort résistant

4 2xDgalet 35 mm F = 50N

F0 F1 +/- 1mm +/- 10%

FT20 : Maintenir la platine

Nombre d’axes de maintien 2 F0

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schémas que le l’essentiel de l’activité de conception est concentré [1], il s’agit de remplacer le

traditionnel dessin sur table (2D) et de le réaliser sur maquette numérique.

Figure 3 - Schémas technologiques associés

au schéma de principe relatif à la fonction

technique « guider les galets en rotation »

Figure 4 - graphe des contacts associé au schéma

technologique retenu

Le schéma de principe est un outil visuel qui aide vraiment les étudiants à concevoir les liaisons et

donc l’assemblage des différents éléments (pièces ou éléments standards). Cependant le

dimensionnement des pièces n’est à ce stade pas évident pour eux. L’utilisation d’un autre outil va leur

faciliter la tâche : le graphe des contacts [3].

2.2 Du schéma de principe au pré-dimensionnement

L’essentiel du travail en conception en IUT GMP est la conception de liaisons qui débouchera sur le

dimensionnement des pièces et la définition de ces dernières.

A partir du schéma de principe et des solutions de liaisons, l’étudiant établit un graphe des contacts

comme celui représenté sur la figure 4. Ce graphe des contacts est l’outil « charnière » de toute

l’étude. En effet, c’est sur ce dernier que sont définis (Figure 5):

- Les paramètres de conception (cotes pilotant la maquette numérique). Ces paramètres peuvent

être calculés, choisis ou imposés.

- Les paramètres de calculs (grandeur permettant de quantifier les paramètres de conception).

- Les règles de conception utilisées pour calculer les paramètres de conception.

- Les conditions fonctionnelles géométriques. La condition est exprimée sur schéma puis

retranscrite sur le graphe, permettant de mettre en évidence les pièces participant à cette

condition.

- Il faudrait retrouver les termes employés précédemment comme paramètre de conception,

paramètres de calcul.

Figure 5 - Détail de la pièce « Galet ». Mise

en place des règles de conception

Figure 6 - Extrait de la feuille de calcul reprenant les

règles de conception

STB: Résister à la pression de matage

Contact galet -rail - dimensionnement à la pression de matage (cf contact linéique)

P(N) 1250 D(mm) 80 A ne pas modifier

galet largeur(mm) 20 Paramètre de conception

E(Gpa) 3,5 Delrin rail Valeur imposée

Re(Mpa) 65 E(Gpa) 200

poisson 0,4 Re(Mpa) 250

Pression de matage poisson 0,35

pression linéique (N/mm) 62,5

Croue(mm-1) 0,025

Crail(mm-1) 0

kroue 7,63944E-05

krail 1,39658E-06

b 0,881991821

Pm(Mpa) 45,11236364

Critère de résistance au matage

(0,3)Pmx2 27,06741818 OK pour le galet OK pour le rail

sécurité 2,4 9,2

STB: Guider en rotation les galets

Dimensionnement des paliers lisses - Pmax, Vmax et Pvmax

P(N) 625 L(mm) 12

Nroue(tr/min) 59,68310366 D(mm) 16

d palier lisse(mm) 14 e collerette(mm) 1

V(m/s) chariot 0,25 Type de palier Permaglide1

pression(Mpa) 3,3 Pmax(Mpa) 250 ok

Vt(m/s) 0,065625 VtMax(m/s) 2 ok

PV(Mpa.m/s) 0,2 PVMax(Mpa.m/s) 1,8 ok

Dimensionnement des paliers lisses à la durée de vie - constructeur INA

Lh souhaitée(h) 3100 L(mm) 12

Température d'urilisation(deg celsius) 25,0 D(mm) 16

p(Mpa) 3,3 e collerette(mm) 1

v(m/s) 0,1 Type de palier Permaglide1

Rugosité Rz(microm) 4

fA 2,0

fP 1,0

fV 1,0 Lh(h) 3059,591962

fmu 1,0

fw 1,0

fR 0,6

(deg)

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Le lien entre le graphe des contacts, les calculs et le pré-dimensionnement associé est fait par la feuille

de calcul (Figure 6). En déviant une fonctionnalité de tous les modeleur 3D qui est la création de

familles de pièces, on peut lier la feuille de calcul à la maquette numérique.

2.3 Du graphe des contacts à la maquette numérique

La démarche montre un lien fort entre l’analyse fonctionnelle et le schéma technologique. En effet, les

étudiants associent la conception à la réalisation d’une fonction technique ; il faut donc intégrer ce lien

dans la maquette numérique. La première action à mener est la réalisation du graphe des contacts pour

la fonction à concevoir.

Chaque élément technologique constituant la fonction devra faire référence à des éléments de la

maquette numérique, que ce soient des pièces, des fonctions solides ou surfaciques ou même des

paramètres de conception.

La création de la maquette numérique doit se penser en amont de l’étude de conception. Ainsi, l’étude

et la définition des formes seront entièrement présentes dans cet espace numérique. La maquette n’en

sera que plus robuste.

La solution retenue à l’IUT pour lier le pré-dimensionnement et le dessin de la solution est le squelette

fonctionnel paramétré [6]. Le squelette est une méthode qui est déjà bien connue et très répandue dans

les bureaux d’études, mais qui peut vite devenir très complexe pour les étudiants. Aussi, dans

l’objectif de simplifier au maximum, ils réalisent un squelette qui est le dessin technique de la solution

finale. Cela permet de :

- Limiter le nombre de paramètres.

- Mettre des règles de conception liant des paramètres directement dans le squelette. Comme

par exemple, l’implantation minimale d’une vis, la hauteur d’un centrage court, etc…

- Valider certaines conditions fonctionnelles. Comme par exemple, le non contact de l’arbre

dans le rail dimensionnant la profondeur du lamage (Figure 3).

Chaque paramètre de conception doit être lié à la feuille de calcul et rangé dans la maquette numérique

de façon à pouvoir s’y retrouver rapidement. Un des problèmes de cette méthodologie est la gestion du

nombre important de paramètres, cela oblige les étudiants à être rigoureux.

Un des avantages est l’interdépendance entre la feuille de calcul et la maquette ; elle permet à

l’étudiant de modifier ou d’optimiser sa solution très simplement et rapidement.

La création de ce squelette et de la feuille de calcul qui pilote les paramètres, pilotant eux-mêmes la

maquette, représente 80% du travail. En effet, la création des volumes se fait en s’appuyant sur le

squelette (Figure 7).

Figure 7 - Maquette numérique fonctionnelle qui s’appuie sur le squelette

Chaque pièce est constituée d’un corps de pièce reprenant les éléments solides ou surfaciques

directement issus du squelette nommé « pièce fonctionnelle » [2], puis d’un corps de pièce reprenant

les méthodes de fabrication associées au procédé. D’ailleurs les pièces sont revues et corrigées dans

les enseignements de fabrication en termes de définition du brut. (Figure 8).

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Figure 8 - Déclinaison de la pièce fonctionnelle vis-à-vis du procédé utilisé pour réaliser la pièce ici

La maquette est réalisée pour la conception. En effet, tout est lié au squelette fonctionnel, et il n’y a

donc aucune contrainte d’assemblage. A priori, cela ne permet pas la simulation cinématique et

dynamique. Pour une telle étude, il faut refaire une maquette dédiée à la simulation, en reprenant les

ensembles de pièces et en les assemblant via des contraintes d’assemblage. La modification de la

maquette dédiée « conception » entraine la modification de la maquette dédiée « simulation ».

En revanche, la maquette dédiée « conception » peut servir pour des études statiques et vibratoires

s’appuyant sur les éléments finis, et aussi, pour tout ce qui est optimisation de paramètres ou plans

d’expériences [5].

3 La maquette numérique, le « couteau suisse » du concepteur

Bien souvent les mécanismes à concevoir ne sont pas immobiles et nécessitent une maitrise des

courses et déplacements des pièces. Or, cela ne peut se valider que lorsque le mécanisme est

totalement conçu. Le squelette présenté précédemment ne peut donc pas répondre à cette spécification.

Aussi, l’étudiant peut créer un autre squelette qui reprendra les éléments fonctionnels de tout le

mécanisme et qui sera mis en mouvement directement dans une esquisse. Les contraintes d’esquisses

reprennent les degrés de liberté des liaisons.

Cette approche est très utile en bureau d’étude pour déterminer une loi entrée-sortie ou pour faire une

étude statique ou dynamique graphique. Une telle utilisation du modeleur 3D n’est pas naturelle pour

les étudiants, ce n’est qu’au bout de deux ans qu’ils comprennent qu’on peut faire vraiment autre

chose que de la 3D.

Figure 9 - Tracés de mécanique pour résoudre un équilibre

La chaine numérique est actuellement au centre de notre enseignement technique et la maquette

numérique ne devient plus seulement l’outil du concepteur [4] mais également celui du métrologue,

du mouliste, de l’usineur, du programmeur de robot, et autre, comme le montre la figure 10 déclinant

les différents procédés de fabrication d’une pièce issue du chariot présenté figure 7.

Pièce fonctionnelle - usinée Déclinaison de la pièce

fonctionnelle en pièce moulée

Déclinaison de la pièce

fonctionnelle en pièce forgée

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Simulation de détourage, d’une pièce du chariot,

faite par robot

FAO d’une pièce du chariot

Figure 10 – Utilisation de la pièce lors des apprentissages métiers

4 L’appropriation de la méthode par les étudiants

Le choix des solutions étant retenu dans son principe, deux voies s’offrent aux étudiants :

- Dimensionner les paramètres de conception : choisir les éléments standards, choisir les

matériaux et procédés associés aux pièces. Puis réaliser le dessin de la solution en s’appuyant

sur ce qui a été calculé.

- Commencer le dessin de la solution en faisant appel à leur « bon sens ». Mettre en avant les

problématiques du choix dimensionnel, puis calculer les paramètres de conception.

Un étudiant au profil plutôt « scolaire » aura tendance à choisir la première approche, au contraire

d’un profil d’étudiant plutôt « concepteur ». En pratique, il est rare de rencontrer ces profils extrêmes.

Les étudiants sont plutôt à mi-chemin des deux et le va et vient permanent de la méthode les aide soit à

conceptualiser soit à matérialiser leur étude.

Utiliser ce type de support pédagogique permet aux étudiants de décloisonner les enseignements

techniques et scientifiques. Le modeleur et la méthodologie utilisés permettent leurs permettent de

réfléchir sur la pertinence d’un modèle, sur la fabrication d’une pièce vis-à-vis d’une fonction

technique étudiée, sur un choix de matériau cohérent avec l’environnement de fonctionnement.

La diminution du volume horaire dédié aux enseignements techniques et à la conception en

particuliers, pousse à repenser les objectifs finaux de la formation. Aussi, il me semble bien plus

pertinent de concentrer les efforts pédagogiques sur une méthode qui fait le liant des enseignements

techniques. Cette pratique oblige les étudiants à positionner leur étude dans la phase de développement

du mécanisme (pré étude, définition, production etc.). Les étudiants adhèrent rapidement à cette

méthode, et acquièrent une autonomie dans la recherche d’informations, de documentations

techniques.

Références

[1] R.HASLAUER, Catia V5 – design process in practise

[2] C.FOUCAULT, Impression 3D: le fichier CAO devient pièce fonctionnelle, Industrie &

Technologies, mars 2012.

[3] A.BALLU, L.MATHIEU, Choice of functional specifications using graphs within the

framework of education, 6th CIRP seminar on Computer Aided Tolerancing, pp. 197-206,

Twente, Pays-Bas, mars, 1999

[4] P.MORENTON, Cao : Logiciel Catia, Techniques de l’ingénieur, Réf. BM5019, juil. 2006

[5] R MACULET, M DANIEL, Conception, modélisation géométrique et contraintes en CAO,

Rapport de Recherche LSIS-2003-005

[6] M.SEHYUN, SOONHUNG H., Knowledge-based parametric design of mechanical products

based on configuration design method, Expert Systems with Applications, Volume 21, Issue

2, Pages 99-107, August 2001