Moule Chocolat

Un jeune chocolatier aimerait lancer sa propre affaire. Peu de moyens, pas d’atelier, il a pourtant des modèles de chocolats précis en tête et cherche à se procurer les moules correspondants. Que peut lui apporter une école d’ingénieurs ?

Lien vers les documents annexes:

https://drive.google.com/open?id=1iu4Zq-xCDYSU39kPPQdpDBzVRVsGH9Nx

 

Commençons par une vue d’ensemble sur la problématique et les solutions existantes :

 

 

Nous avons souhaité proposer au chocolatier une solution qui lui permettrait d’être autonome et de ne pas dépendre immédiatement d’un fournisseur. Nous avons alors pensé à un Fablab. En effet, il existe des Fablabs dans de nombreuses villes, ou bien il existe simplement la possibilité de posséder sa propre imprimante 3D pour imprimer des moules. Avec le bon matériau, notre chocolatier pourrait être indépendant !

Nous avons été inspirés par le Fablab de notre école et ses machines. Notre projet utilise donc prioritairement ces technologies. Notre démarche est orientée autour de cette notion d’autonomie.

 

 

I- Définition du Cahier des Charges Fonctionnel

 

 

Voici le cahier des charges que nous avons rédigé, lors de l'usage du produit puis au repos :

 

FP1

 Permettre au chocolatier de donner une forme au chocolat

FC1

 Ne pas encombrer

FC2

 Permettre l’interchangeabilité des moules

FC3

 Être rapidement assemblable

FC4

 Résister à la température de moulage et de refroidissement

FC5

 Comporter des motifs fins

FC6

 Ne pas marquer le chocolat

FC7

 Permettre de démouler facilement le chocolat

FC8

Être stable

FC9

Être alimentaire, Ne pas réagir avec les produits contenus dans le chocolat

FC10

Permettre l’accès aux outils du chocolatier

 

Fonction

Enoncé

FP1

 Permettre au chocolatier de ranger son système

FC1

 Ne pas encombrer

FC2

 Être rapidement nettoyable

FC3

Être recyclable

 


 

Nous sommes conscients que ces contraintes sont difficiles à visualiser sans connaître le métier de chocolatier. Nous vous proposons les liens suivants, qui présentent une courte immersion dans le métier:

https://www.youtube.com/watch?v=fnQ-5kUwzV0&list=WL&index=5&t=0s

https://www.youtube.com/watch?v=WU8RuvF7lFU&list=WL&index=5

 


Vous pouvez également consulter la validation des fonctions du cahier des charges dans le drive des documents annexes.

 

 

II- Recherche de solutions technologiques

 

Dans cette partie nous allons aborder les recherches de solutions et expériences liées à chaque fonction du cahier des charges. Le choix des solutions se fera dans une troisième partie. Afin de ne pas surcharger la page, nous avons listé nos recherches dans le drive des documents annexes, document "Recherche des solutions technologiques" que nous vous invitons à consulter.

 

III- Choix des solutions technologiques

 

 

Cette section présente le choix des solutions technologiques listées en partie 2, triées par fonction.

 

FONCTIONS

SOLUTION RETENUE

SCHÉMA

FP1 (Permettre au chocolatier de donner une forme au chocolat)

Pour cette fonction, nous avons choisi d’imprimer de petits moules en 3D. Nous avions également pensé à thermoformer plusieurs moules. Mais l'accès est plus facile à une imprimante 3D qu’à une thermoformeuse.

FC1 (Ne pas encombrer)

Le moule ne doit pas encombrer l’atelier du chocolatier. Nous avons retenu comme dimensions 500*500*500 mm. Nous avons donc étudié la forme de notre système. 

La solution choisie est donc de mettre une tour avec des plaques pouvant se détacher par rapport à la tour. Et les plaques auront la possibilité de pivoter autour de l’axe de la tour.

De plus, nous voulons réaliser le plus de chocolats possibles dans un espace donné. L'empilement de plaques satisfait bien cette contrainte.

FC2 (Permettre l’interchangeabilité des moules)

Ici l’objectif est d’assembler les moules avec le reste du système.

Nous avons voulu clipser les moules avec les plaques. Or il existe plusieurs types de clipsage. Nous avions pensé à des crochets sur des plaques supports, ou un clipsage par rotule avec un emmanchement à force sur les plaques. 

Puis nous avons pensé à clipser les moules entre eux avec le clipsage par rotule ou avec le clipsage cylindrique. 

Finalement la solution choisie est la mise en position entre les moules par une rotule. Le serrage est réalisé par un cadre de serrage.

 

FC3 (Être rapidement assemblable)

Dans un premier temps, nous nous sommes interrogés sur la forme des empreintes: hexagonales (pour maximiser l'aire par rapport au périmètre) ou carrées (simplicité d'assemblage) . 

Nous avons pensé à faire un assemblage par clipsage, ou les moules seraient clipsés par rapport à une plaque (de forme rectangulaire ou de forme circulaire).

Suite à plusieurs calculs de déformée, de déplacements et des problèmes de stabilité, l’idée de faire des cadres à la place des plaques est intervenue.

La solution choisie est donc de faire un cadre de serrage rigide attaché avec un élastique donnant une force de serrage supplémentaire.

 

FC4 (Résister à la température de moulage et de refroidissement)

La température de moulage du chocolat est d'environ 32°C.Cette fonction est une fonction matériau, elle sera donc discutée dans le paragraphe IV.

 

FC5 (Comporter des motifs fins)

Cette fonction est liée à la méthode de fabrication des empreintes. Pour réaliser cette fonction, nous devons réaliser des tests pour déterminer les bons paramètres de construction (dépouille, hauteur, épaisseur) qui donnent le bon rendu sur le chocolat.

 

FC6 (Ne pas marquer le chocolat)

Cette fonction est liée à l’état de surface de l’empreinte et à son angle de dépouille. Nous comptons réaliser des tests pour déterminer les bons paramètres.

 

FC7 (Permettre de démouler facilement le chocolat)

Cette fonction est également liée à l’angle de dépouille, mais aussi à la flexibilité du moule. Nous avons choisi un moule rigide, le démoulage se fera par choc.

 

FC8 (Être stable)

La stabilité est un point important pour le fonctionnement de notre système. Pour que le système soit stable, il faut que le centre de gravité soit le plus bas possible et qu’il ne bascule pas au delà des appuis. De plus nous n'avons pas voulu alourdir le socle, c’est pour cette raison que nous choisissons des appuis excentrés afin que le centre de gravité soit toujours entre les appuis

FC9 (Être alimentaire, Ne pas réagir avec les produits contenus dans le chocolat)

Cette fonction est liée au matériau choisi pour les empreintes (cf paragraphe 4).

 

FC10 (Permettre l’accès aux outils du chocolatier)

 

Il faut des empreintes ou des plaques amovibles pour pouvoir retourner les empreintes afin de réaliser les différentes couches d’enrobage.

La surface doit être plane pour les outils qui raclent la surface pour effacer les bavures.

La surface doit être plane pour les outils qui raclent la surface pour effacer les bavures. Il ne doit pas y avoir d'espace entre les empreintes.

La solution retenue est de serrer les empreintes entre elles sans jeu. Ainsi les éléments de mise et/ ou de maintien en position doivent rentrer dans l'empreinte voisine, il faut donc leur prévoir un espace dédié.

 

                 

FP1’ (Permettre au chocolatier de ranger son système)

Nous ne voulons pas que notre système encombrant dans l’atelier du chocolatier, donc il doit être simple à ranger. Le système retenu est donc démontable, on peut enlever les cadres à l’aide de l’élastique qui avait comme but de maintenir la force de serrage. De manière générale, tous les éléments sont dissociables.

FC1’ (Ne pas encombrer)

On veut que le système soit le plus petit possible et facilement rangeable. Nous nous étions orientés vers un système en pièces détachables: empreintes, cadres, élastiques, entretoises, pieds et tige amovibles. Les géométries sont donc simples pour permettre un rangement optimal: les empreintes et miniplaques peuvent s'empiler, la tige peut être rangée à l'horizontale, les petites entretoises ne prennent pas de place.

 

FC2’ (Être rapidement nettoyable)

L’objectif est d’éviter les accidents de forme qui seraient difficiles d’accès. Nous avons donc choisi des empreintes carrées, des rotules, et des élémets de formes simples sans contres dépouilles.

 

FC3’ (Être recyclable)

Cette fonction est liée aux matériaux choisis.

 

 

 

IV- Choix des matériaux

Plusieurs des fonctions du cahier des charges dépendent du choix du matériau pour les empreintes.  D’après FC1, les moules seront imprimés, par conséquent, nous avons étudié les machines se trouvant dans Fablab afin de déterminer les plastiques que nous pouvons utiliser. Après avoir dressé une liste, et avoir comparé toutes les matières plastiques,nous avons choisi le PET:

 

 

 

Fortus 250 mC

Ultimaker 2

Matière

ABS PlusP430

ABS, PLA, Nylon, PVC, PC

Diamètre de filament (mm)

2.85

2.85

Epaisseur de couche min

0.178

0.02

Epaisseur de couche max

0.330

0.2

 

D’après Internet : (recherche de candidats) 

·        PLA :

     peut être utilisé pour imprimer des objets destinés à être en contact avec des aliments (bols, tasses…)

Avantage : Ne dégage pas de mauvaise odeur et facile à imprimer

Inconvénient : Sensible à l’humidité et à la chaleur

·        ABS : le plus polyvalent

·        PC : le matériau le plus solide

·        PET : un polymère légèrement plus souple avec une bonne tolérance de rondeur et qui possède d'intéressantes propriétés supplémentaires avec peu d'inconvénients majeurs.

·        PA : il  possède de bonnes propriétés mécaniques, en particulier la meilleure résistance aux chocs pour un filament non flexible. Cependant l'adhérence inter-couches peut être un problème.

·        ASA : même caractéristique que l’ABS mais il est plus résistant aux UV.

·        TPU : il est plus utilisé pour des applications flexibles et est très résistant aux chocs

·        PP : Il est également très polyvalent

 
Critères de choix

Derrière chaque critère, nous donnons une note entre 1 à 10 pour désigner l’importance de chaque critère.

·        Facile à imprimer (8)

·        Qualité visuel (7)

·        Résistance à la traction (7)

·        Adhérence inter-couche (8)

·        Conforme à Fablab (10)

·        Résistance à l’impact (5)

·        Ne pas réagir avec les produits alimentaires (10)

·        Facile à nettoyer (résister aux produits chimiques)  (7)

·        Léger (8) 

Température d’utilisation (9)

·        Température d’utilisation (10)

 

 

 

PLA

ABS

Nylon

PC

PP

TPU

ASA

PET

 Température d’utilisation

    -

  

 

 

 

 

 

+

Conforme à Fablab

+

+

+

+

-

-

-

+

Ne pas réagir avec les produits alimentaires

++

-

bof

--

 

 

 

+

Facile à imprimer

++

-

+

-

+

-

+

+

Qualité visuel

+

Moyen

Moyen

moyen

 

 

 

Moyen

Résistance à la traction

+

Moyen

bof

++

 

 

 

Bof

Adhérence inter-couche

+

-

-

moyen

 

 

 

Moyen

Résistance à l’impact

--

Moyen

+

moyen

 

 

 

Moyen

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Facile à nettoyer

+

+

+

 

 

 

 

+

Leger

 

 

 

 

 

 

 

+

 

Par conséquent d’après le tableau, le seul plastique conforme à toutes les contraintes est le PET.

 

V-Calculs

 

Nous avons dans un premier temps essayé de faire des calculs de déformation de plaques. Ces calculs ont abouti à des équations différentielles peu manipulables en réalité (vous trouverez les détails dans le drive des documents annexes).

Nous avons également réalisé des calculs de flexion en divers points des pieds grâce au théorème de Castigliano.

Ci dessus le modèle utilisé pour les calculs.

Nous avons rentré les formules obtenues dans un programme nous permettant de calculer cette flexion linéaire ou angulaire. Voici le programme (langage C):

 

Ce programme est constitué d'une fonction qui calcule la masse totale que les pieds ont à supporter, puis d'une fonction qui calcule la flexion en fonction de divers paramètres tels que les dimensions des pieds, leur angle d'inclinaison, le module d'élasticité du matériau, le poids individuel à supporter. La flexion ne doit pas dépasser 3mm. Ainsi nous maîtrisons la déformation des pieds.

 

VI- Fabrication

 

Voici le système retenu :

Pièce

Nombre

Matériau

Méthode de fabrication

Pied

3

PVC

Soudage

Socle

1

Bois reconstitué

Stratoconception

Tige

1

Aluminium

/

Entretoise

N-1

Bois reconstitué

Stratoconception

Mini-plaque

N

Bois reconstitué

Stratoconception

Empreinte

8N

PET

Impression 3D

Cadre de serrage

N

ABS

Thermopliage

Elastique

N

TPU

Impression 3D

où N est le nombre de plaques fixé à 10.

Voici une illustration CAO du système tel que nous l'avons conçu. Il ne comporte que deux plaques car nous n'avons pas les moyens informatiques de réaliser une simulation avec 10 plaques.

Nous allons détailler la géométrie élément par élément:

 

La forme du pied a été conçue pour que la liaison entre le socle et l'espace de travail soit isostatique. On remarque que le pied est constitué de tubes creux, ce qui donne une bonne résistance en flexion.

Le socle et l'entretoise ne doivent pas occuper un grand volume, en revanche ils doivent être résistants aux sollicitations mécaniques. De plus ils doivent être réalisés en stratoconception, la géométrie doit donc être simple. Il y a donc de la matère autour des surfaces utiles. De plus nous utilisons les évidements pour les laisons avec la tige et les pieds.

La miniplaque doit être aux mêmes dimensions que les empreintes (60*60*25). Elle doit pourvoir un appui surfacique aux empreintes qui l'entourent, mais celles-ci ont des rotules protubérantes sur les surfaces d'appui. Ainsi les enlèvements de matière ont pour but d'alléger la plaque mais servent également de logement pour ces rotules.

 

L'empreinte est réalisée en impression 3D ce qui nous laisse une liberté de formes.Elle est donc sous forme de coque d'épaisseur fine, il n'y a pas d'arrondis extérieurs pour respecter la fonction FC10 et elle comporte des rotules ainsi que des évidements pour la mise en position.

Voici une vue de dessous.

 

Le cadre de serrage doit entourer les empreintes. Le thermopliage ne permet pas de réaliser des angles précis, il faut donc contourner les angles droits. Il devra être un peu plus petit que les empreintes pour assurer un effort de serrage. On retrouve la même problématique que pour la miniplaque: il faut des logements pour les rotules des empreintes. Ces logements sont réalisés par des trous (à percer à la perceuse).

 

L'élastique a des cannelures qui sont espacées de l'épaisseur de la plaque de serrage. La contre dépouille formée par le cercle bloque le retour. Les extrémités sont dimensionnées pour être saisies par des doigts.

 

Enfin, la tige sera un tube d'aluminium.

 

IV- Expériences à mener
 

En raison du Covid-19, nous n'avons pu réaliser ni prototype ni expériences. Cependant, voici des expériences que nous aimerions mener:

 

Nom

modele

exp1

exp2

épaisseur de coque

2

1.5

3

serrage rotule

-0.3

0

-0.15

forme

rectangulaire

étoile

rond

motif

moulin

trait

insa

Ce tableau correspond aux empreintes suivantes:

Empreinte "modèle"

Empreinte "modèle"

 

empreinte "exp1"

empreinte "exp2"

Ces 3 empreintes servent de support à plusieurs tests: le test des dépouilles pour les chocolats et les motifs (4, 6, 8, 10° dans chaque empreinte), l'épaisseur de la coque, le dimensionnement de la rotule de mise en position, et le comportement du chocolat au démoulage par rapport à différentes géométries.

Les résultats de ces tests permettront de valider la CAO ou de la modifier.

De plus, pour aller plus loin, nous aimerions modifier le matériau des pieds car le PVC non alimentaire (bien que seulement dans les pieds) ne devrait pas être si proche du chocolat. Il faut ainsi refaire l'étude de flexion en s'appuyant sur le programme numérique.

 

Merci de votre lecture!

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