Projet: râpe à fromage

Notre objet à innover : la râpe à fromage 

Voici le lien vers notre fichier STEPS : http://elearning.ideaslab.fr/students/sign_in

Introduction 

La râpe à fromage est un ustensile de cuisine qui existe depuis de nombreuses années. Elle permet de râper des aliments plus ou moins durs mais est en règle générale utilisée pour râper le fromage. 

http://athomia.com/8425-thickbox_default/boite-rape-a-fromage-gruyere-jaune.jpg

La râpe à fromage est depuis toujours faite en acier, un matériau apprécié pour découper les aliments en morceaux. Voici un bref aperçu des évolutions de cet ustensile depuis sa conception :

-          Râpe la plus simple possible en acier permettant de râper le fromage selon une seule taille de trous.

-          Râpe en acier inoxydable permettant d’éviter la rouille et proposant différentes tailles de trou sur la surface.

-          Râpe à fromage munie d’un manche pour une utilisation plus facile et moins dangereuse

Résultat de recherche d'images pour "râpe à fromage"

Il est ensuite apparu des râpes à fromage permettant de récupérer le fromage râpé dans un compartiment comme celle représentée sur la première image. 

La râpe à fromage a donc connue depuis son invention quelques améliorations du point de vu que la praticité, de la sécurité de son utilisateur ainsi que du matériau utilisé pour sa confection.

Nous avons décidé de nous intéresser à cet objet car c’est un objet du quotidien pouvant être le siège de nouvelles améliorations. En effet, la sécurité et l'hygiène sont deux problèmes majeurs de ces objets du quotien auxquels nous avons pour but de trouver une solution. De plus, la résolution de ces problèmes tout en permettant l'obtention d’un fromage râpé plus ou moins finement peut être intéressante. 

Afin de répondre à cette question d’innovation sur cet ustensile de cuisine connu de tous, nous tacherons dans un premier temps de définir le problème. Dans un second temps nous l'analyserons, et pour finir nous chercherons à parvenir à sa résolution. 

Définition du problème 

Méthode de la TRIZ 

La méthode de la TRIZ (théorie de résolution des problèmes inventifs) est une méthode inventée en 1946 par le russe Genrich Altshuller. Elle permet de résoudre les problèmes d’innovation qui suivent tous des lois connus. En analysant les lois et en les confrontant à notre problème il est possible de trouver une solution à tous les problèmes d’innovation.

Inégalité des parties 

Tout d'abord nous avons modélisé le système à étudier selon la loi d'intégrité des parties. Cette loi est essentielle pour comprendre le fonctionnement de l'objet étudié ainsi que sa constitution élémentaire.

Dans notre cas, le moteur est représenté par l’homme. C'est lui qui fournit l'énergie nécessaire à la réalisation de la fonction principale utile (FPU).Le travail est fourni par la partie tranchante de la râpe et le contrôle de la bonne réalisation de la FPU est visuel.

Analyse multi-écran 

La prochaine étape consiste à remplir un tableau qui permet de visualiser notre objet dans le passé, dans le présent avec toutes les évolutions (améliorations et détériorations) qui sont intervenues grâce à une analyse multi-écrans. La partie droite correspond à l’objet du futur avec toutes les caractéristiques pouvant être améliorées. Le sous-système a évolué du passé au présent en ajoutant un réservoir et en modifiant le matériau du composant de la râpe (passage du fer à l’acier inoxydable). Alors que les anciennes râpes à fromage étaient davantage compactes et durables de par leur simplicité, les râpes actuelles ont gagné en efficacité mais sont devenues plus couteuses et plus fragiles à cause de l’ajout de matière plastique.

 

Lois d'évolution 

 

  • Loi 1 : Intégralité des parties (note 3/5)

Cette loi est respectée lorsque l'on a les 4 éléments : moteur, transmission, travail, contrôle. Ceux-ci définissent la Fonction Principale Utile (FPU). Mais ici ces fonctions sont réalisées par l’homme donc une automatisation est possible.

  • Loi 2 : Conductibilité énergétique (note 4/5)

Ici,l’énergie est apportée par l’homme. Bien qu’il n’y a pas de réelle perte énergétique, une amélioration est possible en utilisant une autre source d’énergie.

  • Loi 3 : Harmonisation (note 2/5)

La création d’un réservoir a optimisé la FPU mais la prise en main reste difficile.

  • Loi 4 : Idéalisation (note 2/5)

Le coût, le volume ainsi que la dépense énergétique humaine pour râper le fromage rendent ce système non idéal. De plus la FPU est imparfaite : en effet, le fromage est rappé de manière inégale.

  • Loi 5 : Développement inégale (note 4/5)

Il ne semble pas y avoir d’élément déficient. On peut néanmoins noter que la qualité du plastique composant le réservoir est améliorable même si ce n’est pas un réel frein à l’innovation.

  • Loi 6 : Transition Supersymétrie (note 2/5)

Il y a la possibilité de rajouter des FPU comme différentes manière de râper, trancher, couper des fruits et des légumes. On pourrait même penser à ajouter un décapsuleur sur la râpe. 

  • Loi 7 : Transition vers le micro niveau (note 4/5)

La transition vers le micro-niveau est envisageable mais le facteur du prix de la technologie peut être un frein à son développement.  

  • Loi 8 : Dynamisation (note 2/5)

Possibilité de rendre l’objet plus dynamique en ajoutant par exemple un tiroir. Il ne faut cependant  pas oublier qu’il y a déjà un réservoir qui a permis la dynamisation par une liaison pivot amovible.

  • Loi 9 : Accroissement des substances champ (note 2/5)

Une véritable amélioration est possible (automatisation, choix de la taille du trou) mais il y a déjà une amélioration de FPU par le changement de matériau pour un meilleur tranchant et pour éviter l’oxydation. 

Analyse du problème 

Après avoir posé le problème avec l’analyse multi-écrans ainsi que le graphique des lois d’évolutions, nous allons nous intéresser aux poly-contradictions que suscite notre problème. En effet, chaque problème est un ensemble de contradictions qui ont des influences les unes sur les autres. Ainsi, la résolution d’un problème passe d’abord par la compréhension et l’analyse de ces poly-contradictions afin d’obtenir le meilleur rendu sans pour autant se noyer dans les compromis.

Pour ce faire, nous allons lister les différents paramètres d’actions (PA) et paramètres d’évolution (PE) du problème.

Par définition :

  • Les PA sont les paramètres du problème sur lesquels le concepteur peut directement agir.   
  • Les PE sont les paramètres qui seront directement impactés lors d’une quelconque modification d’un PA.

Une fois listés, les PA et les PE sont pondérés en fonction de l’importance que l’on leur accorde (entre 0.8 et 1.2 pour les PA et entre 0 et 10 pour les PE).

Finalement, nous obtenons les PA pondérés suivants :

Nous obtenons ensuite les PE suivants : 

Nous obtenons finalement les tableaux de poly-contradictions suivants :

Résolution du problème 

Apres avoir appliqué la méthode de résolution de problème innovant TRIZ nous en sommes venus à obtenir le diagramme des occurrences en fonction du poids suivant :

Diagramme occurrences vs poids :

Il convient donc maintenant de résoudre notre problème grâce à ce diagramme. Si nous suivons la logique de la méthode TRIZ nous devons choisir de résoudre des matrices avec des occurrences élevées et des poids élevés. Dans un soucis de respect de l'environnement qui est un enjeu majeur de notre société actuelle, l'ensemble des solutions proposées seront fabriquées à partir de matériaux recyclables dans la mesure du possible.

Nous avons choisi d’étudier et de développer les trois solutions issues des matrices suivantes :

1ère solution 

1ère matrice : Taille des trous

Cette matrice propose donc d’améliorer la râpe à fromage de manière à pouvoir faire varier la taille des trous (PA1) et donc la taille de coupe du fromage. Ce paramètre d’action dépend de deux paramètres d’évaluation qui sont la quantité de substance (PE3) et la sécurité (PE5). Si nous suivons la logique de cette matrice, chaque utilisateur voudrait avoir le choix entre des petits morceaux ou des gros. Ainsi si l’on augmente la taille des trous alors il y a une quantité de fromage plus importante qui pourrait être râpée. Mais le fait d’augmenter la taille des trous implique le fait d’augmenter les risques de coupure plus important lors de l'utilisation de la rape. A l’inverse, en diminuant la taille des trous la quantité de substance râpée est plus faible mais le risque de blessures importantes diminue.

Afin que la méthode TRIZ nous donne une solution par le logiciel STEPS, nous avons attribué à chacun des paramètres (PA) en contradiction les Paramètres de Conception qui pouvaient selon nous les influencer :

1)      La quantité de substance

-          La quantité de substance : Il est logique que le paramètre de conception "quantité de subsctance" intervienne ici.

-          Précision de fabrication : Une meilleur précision de coupe permet d'augmenter la quantité de substance.

-          Productivité : A savoir, plus le temps pour réaliser l’action de râper est rapide, plus la quantité de fromage obtenue est supposée être importante.

2)      La sécurité

-          Fiabilité : Notre objet possède la capacité de râper de façon régulière sans mettre en danger l’utilisateur.

-          Commodité d’utilisation : L’utilisation de la râpe à fromage nécessite à l’utilisateur plus ou moins de connaissances ou outils extérieurs. C’est ce qui constitue la simplicité ou la complexité du processus de fabrication.

-          Complexité de l’appareil : le nombre et la variété des éléments de notre objet peut rendre difficile la prise en main et altérer la sécurité de l’utilisateur.

 

Il faut donc essayer de concilier quantité de substance et sécurité pour améliorer la râpe à fromage en considérant la taille des trous. Pour cela, la solution de la méthode TRIZ propose de nous appuyer sur les Principes Inventifs suivant pour repenser la râpe :

-          La segmentation de l’objet

-          L’éphémère bon marché au lieu de la longévité coûteuse : utiliser des matériaux peu chers même si ils ne sont pas solides.

-          Le dynamisme : création d’un mouvement non existant sur le modèle d’origine.

Solution :

Au regard des principes et de la matrice, nous avons décider de laisser à l’utilisateur le choix de la taille des trous. La solution proposée comporte donc un potentiomètre pour régler la taille de coupe afin d’obtenir la quantité de fromage souhaitéet. Enfin, pour la sécurité il nous est paru important que la main de l’utilisateur ne puisse plus être en contact avec le fromage lors de la coupe. Ainsi nous avons décidé de mettre en place une râpe cylindrique actionnée par une manivelle.

 

Explications techniques :

-          Pour assurer le réglage de la taille des trous, nous utilisons un double cylindre : le cylindre à râper et de réglage

-          Ce dernier possède des séries de 3 trous à tailles différente. Il est relié à un système de bielle-manivelle qui le fait le coulisser à l’intérieur du cylindre à râper.

-          L’ensemble est mis en rotation par un pignon fixé sur la poigné qui entraine la roue collée autour du cylindre principal. Nous avons choisi de mettre une réduction afin d’augmenter la puissance de la râpe.

-          De même, la longueur importante de la «poignée-manivelle » a pour but d’augmenter le couple autour du pignon et ainsi de limiter l’effort produit par l’utilisateur pour râper son fromage.

-          Le bras d’appui est en mouvement de rotation par rapport au bâti. Il permet de pousser sur le fromage pour faciliter son découpage.

 

Par cette solution on a reussi à concilier quantité de subsctance et securité. En effet ici on peut réguler la taille des trous sans contraintes et la securité est optimale : les mains de l'utilisateur ne sont pas en contact avec le fromage. En revanche le volume occupé par la rape est plus important, ce parametre est donc degradé.

Etant donnée que la manière de râper le fromage n'est pas fondamentalement différente de la manière actuelle, nous pouvons définir cette solution comme étant une innovation de niveau II.

2ème solution 

2ème matrice : Système de fonctionnement

Cette deuxième matrice propose de revoir le système de fonctionnement (PA4) de la râpe à fromage. Elle joue sur la sécurité (PE5) et sur le cout d’achat (PE2). Suivant cela on comprend bien que pour augmenter la sécurité, le coût d’achat doit augmenter, notamment à cause de matériaux plus résistant par exemple. Au contraire si on veut réduire le cout on pourrait penser à enlever la prise en main et donc diminuer la sécurité.

Pour ce produit nous avons choisi les Paramètres de Conception suivant. 

1)      Sécurité

-          Productivité : pour obtenir une plus grande productivité sur un même temps il faut d’une part dépenser de l’énergie et d’autre part accélérer la cadence de coupe ce qui peut être dangereux pour l’utilisateur.

-          Forme : la forme de de la râpe est importante notamment pour avoir une bonne prise en main afin d’assurer un maximum de sécurité durant l’utilisation.

-          Puissance : si on considère un fromage très dur il faut une puissance assez importante pour le râper et cela peut s’avérer risqué.

 

2)      Cout d’Achat

-          Puissance : une râpe plus puissance peut être électrique et donc rajouter des coûts de consommation électrique.

-          Commodité de réparation : un objet qui se répare souvent peut entrainer des coûts de réparation important.

-          Complexité de l’appareil : un appareil plus complexe qui devient automatique par exemple est généralement plus couteux qu’un simple objet manuel.

Finalement, il apparaît qu'il faut concilier coût d’achat et sécurité afin d’obtenir une innovation. Le logiciel nous propose les Principes Inventifs suivant :

-          La segmentation : de l’objet.

-          Copie : utilisation de copie de composant évitant le surcout et permettant l’accessibilité.

-          Le dynamisme : création d’un mouvement non existant sur le modèle d’origine.

Solution :

Considérant les indications du logiciel, nous en sommes venus à la conclusion qu’une râpe à fromage électrique pourrait être une alternative à la râpe manuelle classique. Ainsi on ajouterait un moteur pour éviter à l’utilisateur de râper lui-même le fromage, ce qui par ailleur faciliterait la découpe. D’autre part on rajoute un compartiment dans lequel il faut introduire le fromage pour éviter d’être en contact avec les parties tranchantes de la râpe lorsque le moteur est en marche. On y ajoute une poigné et un réservoir pour plus de commodité.

    

Explications techniques :

-          Pour permettre une découpe plus régulière et plus efficace nous avons choisi d’utiliser une rappe circulaire entrainé par un moteur à courant continu.

-          Le moteur à courant continu est peu cher et donc rend le produit très accessible sur le marché.

-          Le moteur se relie directement à la prise secteur.

-          Un compartiment permet de récupérer le fromage coupé et un autre celui qui est en train d’être coupé.

-          Enfin la râpe et légèrement incliné (angle de 20°) ce qui permet au fromage d’être évacué vers le réservoir.

Ici, nous avons optimisé la securité et le coût d'achat. Comme dans la solution precedente, l'utilisateur n'est pas en contact avec la râpe du fait de la présence d'un moteur. Ce moteur est un petit moteur à faible coût. Les paramètres dégradés sont le coût d'utilisation et le volume de l'objet fini. 

Etant donnée que la manière de râper le fromage n'est pas fondamentalement différente de la manière actuelle, nous pouvons définir cette solution comme étant une innovation de niveau II.

3ème solution 

3ème matrice : Ergonomie et design

Cette dernière matrice propose de revoir le principe même de la râpe à fromage, c’est-à-dire revoir l’ergonomie et le design (PA3) de celle-ci. D’un côté elle propose de faire varier la sécurité (PE5) et d’un autre de faire varier la masse (PE9). Tout comme pour la première matrice, la masse de la lame et en opposition avec la sécurité. Ainsi si on décide de revoir le design et l’ergonomie de la lame de la râpe à fromage on pourrait améliorer le PE5 mais on augmenterait sa masse car on utiliserait d’autres matériaux plus lourds (acier, fer …). D’un autre cote si on décide de diminuer la masse en utilisant d’autres matériaux (céramique ….) alors la sécurité s’en trouverait diminuée.

En choisissant les Paramètres de Conception suivant, voici le résultat obtenu :

1)      Masse (kg)

-          Poids de l’objet immobile : le poids de la râpe immobile impact directement sur la masse total de l’objet et donc sur son utilisation.

-          Forme : il est évident que si nous nous intéressons à la lame qui va découper le fromage, la forme de la lame va impacter sur la sécurité (lame plus contendante).

-          Quantité de substance : ici on peut penser à masse de la râpe ou masse de fromage râpe donc si on désire une masse importante de fromage il faut une grande quantité de fromage coupé.

 

2)      Sécurité

-          Fiabilité : il va sans dire qu’un objet, pour être sécurisant, se doit d’être fiable, on peut facilement imaginer qu’un objet peu fiable peut nuire à son utilisateur.

-          Commodité de production : on peut aisément penser qu’un objet très sécurisant peut être encombrant durant son utilisation.

-          Adaptabilité : avec ce paramètre il est important que le produit s’adapte à son utilisation, ici il s’agit que la rappe s’adapte à la volonté de l’utilisateur.

 

Selon la méthode TRIZ il faut arriver à concilier masse et sécurité afin d’innover sur la râpe à fromage. Le logiciel nous propose les Principes Inventifs suivant :

-          La segmentation : de l’objet.

-          Changement de paramètre physique de l’objet : utiliser une lame différente qu’une lame en métal solide.

-          Le dynamisme : création d’un mouvement non existant sur le modèle d’origine.

 

Solution :

Nous en sommes venus à la conclusion qu’une râpe à découpe laser pourrait être une bonne solution. Il serait donc possible de rendre l’objet sécurisant car l’utilisateur ne serait plus en contact avec la lame. De plus le poids en est réduit car il n'y a plus de lame en métal dont la masse est importante. Quant au dynamisme du produit, le laser n’étant pas solide il devient plus facile de manipuler la râpe. Cela permet aussi de mieux gérer et contrôler la coupe du fromage. Concernant cette dernière solution on peut supposer qu’elle pourrait aussi être adaptée à grande échelle pour une utilisation de masse ou commerciale. Voici quelques représentations du modèle de rape envisagé : 

Voici quelques explications techniques sur cette dernière solution, elle se décompose en trois parties majeures : 
- La partie haute est celle dans laquelle sont introduits des morceaux de fromage dont la taille est celle de la partie centrale.
- La partie centrale dans lequel le fromage, de taille normalisée, passe à travers un maillage de laser qui permet de découper le fromage sans le faire fondre et ainsi d’obtenir un fromage râpé.
- La partie basse sert à stocker le fromage râpé en grande quantité dans l’optique d’une utilisation industrielle de la râpe.

Avec la présence des lasers, nous avons supprimé la partie tranchante pouvant être dangereuse. De plus les lasers ont une masse nulle comparée à une râpe en acier déjà existante. Le modèle est imposant car il est adapté à une problématique industrielle, nécessitant une production importante de fromage râpé. Le volume n'est pas forcement degradé au vue de la quantité de substance produite. On peut tout à fait imaginer des modèles de dimensions très différentes pour que le produit puisse être adapté tant aux usages domestiques qu'aux usages industriels. 

Etant donnée que la manière de râper le fromage est différente de la manière actuelle par le passage d'une découpe mécanique par cisaillement à une découpe laser, nous pouvons définir cette solution comme étant une innovation de niveau III.

Conclusion 

Ce projet INNOV’INSA nous a permis de découvrir les principes de la méthode TRIZ et de mieux appréhender le domaine et la science de l’innovation. Au travers de ce projet, nous avons pu avoir une réflexion relativement poussée sur les différents moyens d’améliorer un objet du quotidien.

Au cours de notre étude, nous avons présenté trois solutions innovantes qui nous semblaient répondre chacune à un problème différent de l’objet initial.

Ainsi, la solution numéro 2 répond à un problème d’autonomie et d’effort de l’utilisateur des râpes à fromages actuelles, tandis que la solution numéro 1 répond elle à un souci d’adaptabilité de l’outil. Enfin, la solution 3, apporte une réponse à un problème de poids en modifiant la technique de découpe. 

Finalement, c’est la solution numéro 2 que nous avons retenue étant donné que, malgré l’existence non négligeable d’un coût énergétique de l’appareil, cette solution constitue, à notre avis, le meilleur rapport entre évolution technologique, niveau d’innovation et faisabilité.

 

Quentin Pautonnier

Rémy Boeuf

Paul Chauvin

Raphaël Daubresse

Pierre Bénez

 
 

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