Innov'INSA: Projet ceinture

LA CEINTURE

Lien STEPS: https://drive.google.com/folderview?id=0Bzru8cOx8bC1UkRUb0t5Y0ZJZ0k&usp=sharing

Dans le cadre de notre formation ingénieur, le cours Innov'INSA permet d'aborder les problématiques de recherche et développement auxquelles nous pourrions être soumis dans notre métier. Ce cours contient un aspect théorique avec la mise à disposition de concepts d'innovation, notamment la méthode TRIZ, et un aspect pratique avec la mise en œuvre de ces concepts à un objet du quotidien de notre choix. La méthode TRIZ permet d'améliorer un objet en maximisant ses fonctions pour l'Homme et l'Environnement tout en minimisant les aspects néfastes du système. Il s'agit d'une méthodologie liée à l'analyse et à la résolution des problèmes présents sur les fonctions de l'objet à partir du concept de l'évolution du système. Nous avons choisis d'étudier la ceinture, objet intemporel, utilisé presque tous les jours, par les hommes et les femmes.

ETAT DE L'ART

 

Depuis l'Antiquité jusqu'à nos jours, la ceinture est un objet qui traverse les âges. Elle a pu être utilisée dans un but protectif (notamment pour les gladiateurs) et est encore utilisée à des fins esthétiques, mais sa fonction principale est de maintenir un vêtement autour de la taille ou des hanches. Initialement lourde, volumineuse et encombrante, l'ergonomie et les matériaux de la ceinture ont évolués jusqu'à obtenir la forme qu'on lui connait aujourd'hui : une boucle en fer et une lanière en cuir. Certaines périodes ont aussi été marquées par l'association de la ceinture à d'autres fonctions comme celle de porte-fusil pendant la conquête de l'Ouest en Amérique (XXe siècle). Avec le développement de l'industrie, d'autres matériaux moins traditionnels se sont également développés, notamment les polymères. Aujourd'hui, la ceinture propose différents systèmes de fermeture et elle peut être adaptée aux besoins (pour le travail, le quotidien).

 

  

Ceinture cuir et boucle en ivoire de Saint-Césaire (VIe siècle).

 

 

     

Ceinture cuir et hornements féraille avec porte pistolets porte balles inclus (XXe siècle)

Ceinture cuir et boucle classique en métal, la plus répendue de nos jours.

Ceinture tissu avec système de boucle original (XXIe siècle)


Ceinture esthétique, non étudiée ici.

Si la ceinture a évolué au cours de siècles, certains problèmes subsistent. La ceinture peut par exemple appuyer sur l'estomac, créant une sensation désagréable lorsqu'on est assis à table, il est également nécessaire d'en avoir plusieurs afin d'adapter cet accessoire à notre tenue, de plus, la ceinture n'a pas fait l'objet d'innovation depuis un certain temps. Notre travail se restreindra aux ceintures destinées à maintenir un vêtement sur les hanches. Les ceintures uniquement à but décoratif en tissu ne sont pas étudiées ici. 

 

INTEGRALITE DES PARTIES

Cette première étape consiste à trouver la fonction principale utile qu'exerce l'objet. La ceinture est constituée d'un système de fermeture représenté par la boucle, et d'une lanière.

La ceinture permet d'ajuster et maintenir un vêtement grâce au travail des mains qui font passer la ceinture à travers des passants et ajuste le serrage à l'aide d'une boucle. Le cerveau contrôle le bon serrage.


MULTI-ECRAN

La deuxième étape de la méthode TRIZ consiste à réaliser une analyse MULTIECRAN de l'objet.

Nous prenons l'objet dans la forme sous laquelle on la connait aujourd'hui et nous détaillons le micro-système et le super-système. A partir du présent, nous comparons à la ceinture du passé, fixée à un certain délai. Il s'agit de lister les points qui ont évolués favorablement et défavorablement par rapport au système et au macro-système. A partir de ces points, nous essayons de voir les points défavorables que l'on pourrait améliorer pour l'objet du futur, dans notre cas : la contrainte esthétique plus ardue et la durée de vie moindre.

La contrainte esthétique correspond au modèle de ceinture que l'on connait et il est difficile de s'en éloigner. La ceinture est un objet très classique et standardisé. On ne peut pas s'éloigner de son aspect classique au travail ou dans la vie quotidienne.

 

 

 

 

 

Cette première étape met en avant l'évolution de la ceinture jusqu'à aujourd'hui à partir du premier objet qui a été créé. Il permet de voir les évolutions favorables et défavorables qui s'appliquent à l'objet dans son système et dans son sous-système.

Aujourd'hui, des améliorations sont apportées sur la légereté de l'objet et sur ces fonctions.

En revanche, l'analyse multi-écrans montre que la durée de vie de l'objet est défavorable aujourd'hui : des axes d'améliorations doivent être maintenus sur le type de matériau choisi pour qu'il soit plus résistant.

Le paramètre esthétique correspond à la conformité de l'aspect visuel de la ceinture avec la mode. Ces contraintes évoluent négativement par rapport au micro système. En effet, de nombreuses personnes attendent d'une ceinture une boucle classique du fait de sa visibilité permanente sur la tenue. Une boucle fantaisie ou plus efficace mais inesthétique pourrait être un frein à l'acceptation de la ceinture sur le marché.

D'après l'analyse, malgré une amélioration portée sur la diversité des matériaux, il devra être modifié pour être plus résistant mais à la fois plus léger. Ceci permet d'améliorer la durée de vie de l'objet et donc de faire de cette contrainte un atout pour le système. 

Dans le système, le résultat de l'analyse montre que la ceinture innovante devrait avoir un coût bas donc avoir un poids faible mais qui s'adapterait à l'utilisateur en fonction de ces besoins. Le système de fermeture devrait être plus précis en prenant en compte la corpulence de l'utilisateur. 

 

MATURITE ET LOIS D'EVOLUTION

 

 

La méthode TRIZ suit les lois d'évolutions des systèmes techniques. Il existe 9 lois qui permettent de comprendre l'évolution des systèmes afin de suggérer des axes d'améliorations pour les prochaines étapes.

Loi 1 :

L'intégralité des parties contient l'ensemble des constituants du système  : élément moteur (main), organe de transmission (passant et serrage), organe de travail (boucle) et organe de contrôle (visuel et ressenti). Elle veille à ce que ces 4 elements exercent correctement leur FPU (Fonction Principale Utile).

5/6 : la ceinture maintien efficacement un vêtement sauf lorsque la répartition des trous n’est pas adapté au besoin d’un utilisateur. Si l’aiguille est déjà à un trou extrême et que l’utilisateur souhaite desserrer ou resserrer sa ceinture, la fonction n’est plus remplie.

Loi 2 :

La conductibilité de l'énergie vérifie que chaque constituant fasse circuler l'énergie dans le système et donc qu'aucune perte ne soit créée.

5/6 : Il a une certaine consommation d'énergie humaine pour faire passer la ceinture dans les passants mais une fois la ceinture mise en place, la fonction de maintien est assurée sans utilisation d'énergie additionnelle.

Loi 3 :

La loi sur l'harmonisation permet de voir si tous les constituants dans leur ensemble sont suffisamment en adéquation avec l'un et l'autre pour que l'objet assure sa fonction principale.

3/6 : Une ceinture n'est pas forcément en harmonie avec tous les pantalons (taille des passant qui varie, couleur) . L'harmonisation n'est pas forcément effective, on est obligé de changer de ceinture.

Loi 4 :

La loi de l'idéalité consiste à faire tendre les systèmes techniques vers un objet idéal.

2/6 : L'objet idéal serait une ceinture universelle que toute la famille pourrait utiliser, peu importe la taille, la corpulence, la couleur du vêtement, elle s'adapterait à toutes les conditions.

Loi 5 :

La loi sur le développement inégal permet de voir si les différents constituants de l'objet peuvent évoluer indépendamment, c'est-à-dire que certains peuvent présenter plus d'améliorations que les autres.

3/6 : L'attention a plus été portée sur le matériaux des lanières que sur le système de bouclage (à quelques exceptions près).

Loi 6 :

La loi sur la transition au super système met en évidence le fait que l'innovation d'un constituant du système amènerait l'objet à la fin de sa vie et provoquerait l'apparition d'un autre système.

5/6 : La fonction de la ceinture ne peut pas vraiment être substituée par un autre objet (à l'exception d'intégration de l'élasticité au pantalon ou l'utilisation de bretelles).

Loi 7 :

La loi sur la transition vers le micro niveau implique à ce que les fonctions du système macroscopique soient de plus en plus accomplies par les systèmes microscopiques (changement d'état passant du solide, au liquide, puis au gaz pour finir vers un champ magnétique)

5/6 : Il n'y a pas de corrélation entre la transition à un système liquide ou de champs à la fonction de bouclage. Même si l'on utilise une fonction aimantée, les aimants resteront solides.

Loi 8 :

La loi sur la dynamisation de contrôlabilité permet de voir si les systèmes techniques de l'objet peuvent accomplir leur FPU de façon autonome.

1/6 : La ceinture a juste la liaison glissante (serrage-blocage)  mais pas de liaison rotative par exemple. Tous les elements sont fixes, il a donc beaucoup à faire sur le développement d'autres liaison et fonctionnalité de réglage de la ceinture.

Loi 9 :

La dernière loi sur l'évolution par la synthèse de substances-champs implique l'introduction d'un sous-ensemble substances-champs pour améliorer la fonction principale de l'objet.

2/6 : La ceinture n'a pas la capacité d'auto-modifier sa capacité de maintenir des vêtements, cela ne se fait que manuellement. On peut imaginer des fonctionnalités d'automatisation à l'adaptation de la corpulence.

PARAMETRES ET CONTRADICTIONS

 

Une fois le système bien défini, nous cherchons à résoudre les contradictions de développement de l’objet.

La 1ère étape consiste à classer nos paramètres en 2 catégories:

  • Les Paramètres d’Actions (PA) : ce sont les paramètres que l’on peut modifier physiquement sur l'objet.
     Dans notre cas, nous avons 6 PA parmi lesquels : l'épaisseur de la lanière, son type de matériau (élastique ou non), le système de fermeture (classique ou sans trous).

  • Les Paramètres d’Evolution (PE) : ce sont les paramètres qui influencent les PA et que l’on ne peut pas modifier.
    Dans notre cas, nous avons 10 PE parmi lesquels : la précision d'ajustement, le confort d'utilisation, la durée de vie, l'adaptabilité à la corpulence et l'esthétique.

 

La précision d'ajustement est fonction de l'espacement entre les trous.

Le confort d'utilisation dépend du ressenti de l'utilisateur : bon compromis entre la stabilité du maintien et la force exercée sur le ventre les hanches qui doit être minimisée.

L'adaptabilité à la corpulence se réfère à la variabilité des tailles (utiliser la même ceinture quelle que soit sa corpulence).

 

Ensuite, on attribue un poids (note de 1 à 10) à chaque PE en fonction de son importance. Selon nous, les PE les plus importants correspondent à la précision d'ajustement (poids = 9) et le confort d'utilisation (poids = 9). Ces poids seront déterminants dans le choix des contradictions. De plus les poids de la durée de vie, l'adaptabilité à la corpulence et l'esthétique sont égaux à 7. A contrario, le poids du coût est de 3 (ce n'est pas un objet très cher et le prix n'est pas un critère primordial d'achat).

 

Nous allons maintenant résoudre les contradictions issues des 2 schémas des poly-contradictions les plus pertinents selon nous (cf figure ci-dessous).

 

La 1ère contradiction que nous allons résoudre est la contradiction impliquant les 2 PE ayant le plus de poids : Confort d’utilisation / précision d’ajustement. Un système de fermeture classique (boucle) assure un bon confort (bonne stabilité de la ceinture) mais n’est pas très précis dû au système boucle/trous, la distance entre les trous pouvant être importante.

La 2ème contradiction concerne le couple : durée de vie/adaptabilité corpulence. Une lanière réalisée dans un matériau rigide a une meilleure durée de vie qu’une lanière plutôt élastique mais s’adapte moins bien à la corpulence de l’utilisateur.

 

MATRICES ET SOLUTIONS

Nous utilisons la matrice en ligne Time-to-Innovate pour résoudre cette contradiction. En effet, à chaque PE, nous allons affecter entre 1 et 3 paramètres générique d'ingénierie parmi les 39 proposés. Ensuite, la méthode permet d'obtenir les principes inventifs les plus susceptibles de résoudre nos contradictions, et qui constituent ainsi le socle de la réflexion visant à aboutir à une solution.

Résolution de la 1ère contradiction : Confort d'utilisation/Précision

Le paramètre générique d'ingénierie associé à la précision est la précision de la mesure. Le paramètre associé au confort d’utilisation est la tension/pression.

Les principes inventifs qui découlent de la méthode TRIZ sont l’universalité (44%) suivi de la reconception (33%).

L’universalité exprime l’idée que l’objet remplisse plusieurs fonctions de façon à éliminer d’autres objets. Cela rappelle l’idée d’une ceinture de type bretelles car la fonction principale de la boucle (ajustement) est intégrée dans la lanière élastique, ce qui permet de supprimer la boucle. Cependant, cette idée ne résoud pas forcément cette contradiction car la précision du serrage est relativement limitée.

La reconception exprime deux idées :

a. Utiliser un champ magnétique pour provoquer une interaction avec l’objet.

b. Remplacer les champs immobiles par des champs mobiles.

L’idée a. peut se traduire par un aimant à la place de la boucle, améliorant la précision ainsi que le confort.

L’idée b. revient à ajouter de la mobilité à la lanière entre 2 positions de serrage. En effet, la ceinture est ajustable uniquement entre des positions définies par les trous, donc la précision d’ajustement est limitée à l’espacement entre 2 trous. Si l’utilisateur désire maintenir sa ceinture entre 2 trous, cela est impossible. D’où l’idée d’une boucle d’ajustement qui, à l’aide d’une molette, pourrait "avaler" un bout de ceinture et ainsi affiner la précision de serrage. Voir dessins ci-dessous.