Tablette Klapbord

 

I INTRODUCTION   

         Dans les transports, on se plaint toujours de ne pas avoir d'espace suffisant pour travailler ou pour manger.  Les tablettes des sièges sont souvent trop petites et lorsque nous posons quelque-chose d'un peu encombrant dessus (oridinateur, plateau repas...)  plus aucune place n'est disponible.

Notre extension permet d'avoir un gain d'espace de l'ordre de 20 à 25%. Ainsi, nous pouvons continuer à prendre des notes ou poser un verre et son smartphone tout en ayant l'odinateur encombrant la tablette. Dans un avion, il est désormais possible de profiter de son plateau repas tout en regardant un bon film, où de suivre une vidéo-conférence.

L'extension de tablette est le produit parfait pour les voyageurs et les personnes prenant régulièrement les transports en commun.

 

Le but premier de l'extension et donc d'offir le plus d'espace supplémentaire possible tout en prenant le moins de place possible une fois repliée. Une problèmatique que nous avons cherché à résoudre lors de ce projet. 

 

 

II/ ANALYSE FONCTIONNELLE

 

 

 

 

III/ DESSINS 3D

 

Première esquisse de tablette :

   Cette première version simple du prototype avait pour but de mettre en évidence les principales fonctionnalités de l'extension. (Pieds repliables, Battements extérieurs etc..). Ce modèle nous a également permis d'établir les dimensions du produit  déplié. Soit une surface plane de 400mm par 160mm. 

Néanmoins cette version avait l'inconvénient d'être beaucoup trop longue  pour rentrer dans un sac de transport . C'est pourquoi nous avons eu l'idée de pouvoir la replier encore une fois dans le sens de la longueur. 

Et voici la solution retenue :

Dessins 3D Extension Tablette :

 

 

 

 

   Le fait de pouvoir la replier, permet de transporter un bloc de petites dimensions et ayant un poids relativement faible tout en offrant une grande surface en utilisation. En effet, une fois repliée l'extension mesure 200mm de long, 80mm de large et 40mm de haut. Ces dimensions respectent tout à fait les contraintes de transport imposées par le cahier des charges.

 

Rendu 3D Extension Tablette :

    Nous pouvons remarqué que dans la version précédente, chaque partie du prototype était assemblé à l'aide de charnière. Les charnières sont le moyen le plus simple pour répondre à nos besoins

Dans cette dernière version du prototype, nous avons choisi de doubler le nombre de charnière pour des questions de résistance mécanique (cf. ETUDE DE RESISTANCE). Cependant, même si le poids final du prototype n'est pas beaucoup impacté, le prix du prototype, lui a augmenté car ces charnières restent relativement chers. Cependant, comme la résine (utilisé pour la conception) n'est pas très cher comparé à l'impression 3D, nous pouvons nous permettre de rajouter des charnières.

Prototype déplié

 

Prototype replié (le plus compact possible, facilitant le transport)

 

 

Autre configaration :

 

 

 Cette configuation supplémentaire peut  permettre d'avoir un support pour une tablette numerique ou un livre ou d'avoir un support pour prendre des notes.

 

 

IV/ USINAGE

   Une fois la conception achevée, nous sommes passés à la realisation du prototype. Nous avons choisi d'usiner dans de la résine en raison de son faible rapport coût/résistance. 

Nous avons utilisé une fraiseuse Stratoconception automatisée dont voici une photo:

 

La stratoconception fut l'outil le plus adéquat pour usiner nos pièces. Les formes des pièces nous ont guidé naturellement vers ce choix. De plus son prix d'utilisation et beaucoup moins important que l'impression.

  

 

Nous avons ainsi pu commencer l'usinage des différents éléments de la maquette :

 

 

 

Les pièces après usinage :

 

Après l'usinage, nous sommes passés à l'étape des finitions et de l'assemblage des charnières.

Observez le très faible volume occupé par la tablette totalement repliée:

 

Pour maintenir les charnières, nous voulions à l'origine implanter des vis, mais dû à la très faible épaiseur nous avons choisi le collage. Cependant, malgrè une très grande précision dans l'usinage, nos charnières n'étant pas de très grandes qualités, nous avons eu quelques soucis lors du collage et nottament des problèmes de centrage.

 

       Nous avons eu beaucoup de travail après l'usiage à la Strato. Et il faut noter que ce travail supplémentaire représente un cout très important lors d'un processus d'industialisation. En effet, les goupes ayant utilisé l'impression 3D n'ont pas eu à visser les parties entre elles par exemple, leur pièce était quasiment opartionnelle en sortie d'impimante

 

V/ ETUDE DE LA RESISTANCE DU PROTOTYPE

 

Le produit étant un assemblage de plusieurs pièces différentes (8 au total), il est donc nécessaire d'étudier en profondeur les liaisons entre elles.

 

1) Étude approfondi des liaisons charnières.

Pour des soucis de repliage du prototype, toutes les liaisons utilisées sont des pivots. La solution technologique pour réaliser ces dernières sont des charnières commerciales. La position des charnières sur le prototype n'a pas été laissé au hasard.

 

Liaison Battement-Bâti

Tout d'abord étudions la liaison entre les bâtis et les battements. La disposition utilisée actuellement et la suivante. Le but de ces liaisons et de supprimer tout les degrés de libertés (3 translations et 2 rotations) et de laisser la rotation donnée par la charnières.

 

On peut remarquer que les battements sont liés au bâti à l'aide de deux charnières disposées aux extrémités.

Auparavant, nous avions pensé à utiliser une unique charnière mis en place au milieu du battement mais des soucis de centrage auraient posé quelques problème. En effet à cause de la grande longueur du battement ( 200 mm) par rapport à la dimension de la charnière ( 25 mm) nous aurions obtenu un centrage trop court autorisant une rotation de trop. 

Certes cette solution demande de doubler le nombre de liaison et donc de rajouter du poids et d'augmenter le coût mais grâce à elle nous obtenons un assemblage aligné répondant aux critères du cahier des charges.  De plus le prix des charnières et sa masse minimale par rapport au reste du prototype justifie le choix de cette solution technologique.

De plus , les battements ne sont pas les parties de l'assemblage qui supporteront le plus de poids car l'utilisateur posera intuitivement les objet les plus lourd au centre de la tablette. Nous pensons donc qu'il n'est pas nécéssaire de rajouter des charnières supplémentaires. 

 

Liaison bati-bati 

La liasion mis en jeu est la suivante:

 

Cette liaison sera peut être la liason la plus solicitée de l'assemblage. En effet elle lie les deux batis. Cette fois çi nous n'avons pas chosis de mettre deux charnières côtes à côtes pour des soucis de centrage mais pour une question de résistance mécanique. 

La plupart des objets volumiques et lourds seront déposés par l'utilisateur au centre de la tablette et donc il y aura une concentration de contraintes mécaniques à cet endroit. Le cahier des charges impose que la liaison supporte une charge maximale d'environ 2 kilogrammes soit une force d'environ 20 newtons. La science des matériaux nous dit que les efforts tranchants et les moments fléchissants sont les plus importants au centre de la tablette. Il est donc nécéssaire de fortifier cette liaison.

Diagramme des efforts tranchants :

Analogie à notre tablette :

         

 

Nous avons donc Pmax = m.g=2x9,81 = 19,62N et Mfmax = 1,96N.m (moment max) au centre de la tablette :

Calculs :           

E : module d'élasticité (Erésine = 4GPa)

I : moment quadratique de la plaque. On retiendra le modèle I = b.h3/12 pour une poutre à section rectangulaire

 Dans notre cas, h = 80mm et b = 10mm :   

Soit I = 4,3E-7m4

 

On a l'équation de la déformée : -Mf / E.I = y"  

Mf = F.X  avec F = P/2, la force exercée sur un pied et X la distance au pied,

(On a donc Mfmax en en X = L/2 = 0,4/2 = 0,2m soit Mfmax = (P/2).(L/2) = PL/4, donc Mfmax = (19,62*400E-3)/4 = 1,96N.m)

 

Ainsi : E.I.y'' = Mf = X.(P/2)

d'ou y'' = (1/(E.I)).X.(P/2)  On intègre et on obtient : y' = (P/2.E.I).(1/2)X2+C1 = (P/4.E.I).X2+C1

C1 : constante d'intégration

 

On intègre une deuxième fois et on obtient l'équation de la flèche :

y = (P/4.E.I).(1/3).X4+C1.X+C2 = (P/12.E.I).X4+C1.X+C2

C2 : 2ème constante d'intégartion

 

On détérmine les contantes : En X = 0mm (au niveau du pied), f = 0mm (flèche nulle au niveau du pied), on en déduit que C2= 0

y' correspond à la dérivée de la flèche (donne le coefficient directeur le la pente représentant la flèche). Et la pente est nulle en X = L/2 (tangente horizontale) (cf. schéma)

Donc en X = L/2 : y' = 0 = (P/4.E.I).(L/2)2+C1 

Ainsi : 0 = (PL2/16.E.I)+C1

Au final : C1 = -(PL2/16.E.I)

Donc l'équation de la flèche est : y =  (P/12.E.I).X4+C1.X+C2(P/12.E.I).X4-(PL2/16.E.I).X

La flèche est max pour X=L/2 et pour cette valeur : y= (P/12.E.I).(L/2)4-(PL2/16.E.I).(L/2) = -(P.L3)/(48.E.I) = y

AN : P=19,62N, L=0,4m, I = 4,3E-7m4 et E = 4E+9Pa

Donc la flèche max vaut : y = Abs((19,62*0,43)/(48*4E+9*4,3E-7)) = 0,01mm pour un poids de 2kg

 

   Ainsi il n'y a pas de risque que la tablette se déforme et s'endommage sous l'effet du poid. Le seul danger peut donc seulement venir du décollage des charnières du support.

 

Mise en position des charnières

         La bonne mise en position des charnières permet aux flancs intérieurs des deux batis de prendre appui l'un contre l'autre. Cet nouvel liaison appui plan permettra de mieux répartir les charges et de soulager les deux charnières et par la même occasion obtenir une surface plane. Il faut noter que le même principe est utilisé dans la liaison vue précédement (battement bati).

Il est donc primordiale de pouvoir mettre parfaitement en position les charnières avant de les encastrer, d'où les logements spécialement conçus.

Pour permettre la mise en position des charnières des emplacements ont été prévu sur les flancs de chaque composant. Ces emplacements sont prévus pour un assemblage rapide, simple et pour un centrage précis.

 

Ces évidements sont dimensionnés pour recevoir les charnières que nous avons à notre disposition. Un jeu minimal a été prévu  pour permettre aux charnières de s’insérer confortablement sans forcer.

Malheureusement, la génération du code machine, pour la Strato-conception ne nous a pas permis d’usiner la buté inférieure. Nous avons donc conservé un évidement débouchant.

Lors de l’assemblage nous avons pris soin de vérifier la mise en position en hauteur des charnières. 

Liaison Pied-bati

Les pieds, éléments fondamentales de la tablette, sont assemblés sur le bâti à l’aide d’une charnière spéciale. Pendant l'usage de la tablette, les efforts sont répartis en totalité sur les deux pieds. Il est donc impératif de prévoir une liaison permettant de recevoir le plus de contrainte possible et proposant une surface de contact la plus importante possible.

 

  

 

Les pieds n'étant pas assez large, nous ne pouvions pas installer deux charnières simples côte à côte. De plus les charnières simples ne sont pas assez résistantes pour encaisser tous ces efforts.

Nous avons donc opté pour une charnière unique plus massive et beaucoup plus résistante. Etant de grande taille, elle permet un contact plan amplement suffisant pour se maintenir le bâti.

Un emplacement dans le bâti a été prévu pour la mise en position précise de la charnière et ainsi éviter les dissymétries.  

 

2) Étude approfondi de la buté d’arrêt en rotation des pieds.

 

Le principe de fonctionnement de l’extension repose sur la mise en position des pieds sur la tablette proposée par les transports. L’ouverture des pieds et l’angle formé par rapport au bâti définissent directement la hauteur de l’extension.

Le cahier des charges nous imposait d’avoir une hauteur de  plus de 10 centimètres pour pouvoir ranger des objets en dessous de l’extension ou encore de pouvoir passer aisément ces mains pour se servir d’un ordinateur.

La charnière propose une ouverture des pieds de 0 à 180 degrés.  L’angle choisit étant d’environ 60 degrés il est nécessaire d’arrêter la rotation à l'angle voulu. Pour cela une buté a été mise en place.

 

 

Lorsque le pied forme l’angle optimal avec le bâti, le côté intérieur du pied rentre en contact avec la buté. Le pied est arrêté en rotation et prêt au fonctionnement.

La disposition actuelle des pieds permet d’éviter un retour naturel à la position initiale. Associé à une buté chaque pied est bloqué par gravité sous le poids de la tablette. On remarque donc qu’une question de résistance mécanique est mise en jeu à cet endroit précis.

Le contact des pieds avec la butée est linéique. Des efforts de cisaillement sont induits sur les pieds. Sous une surcharge excessive, il est possible que les butés rompent. Nous pensons que la disposition actuelle permettra de supporter une charge suffisante pour répondre au cahier des charges. 

 

VI/ ASSEMBLAGE DU PROTOTYPE

La dernière partie de notre projet consista à assembler les diverses parties du prototype. Pour des raisons de facilité et d'efficacité nous avons choisi d'utiliser le collage comme moyen d'assemblage. La présence des ergots de mise en postion des charnières nous ont permit d'aller beaucoup plus vite.

Néanmoins, quelques problèmes de résistance à la charge se sont présentés au niveau des deux  charnières centrales. Nous avons alors consolider les deux charnières à l'aide de 4 vis. Il faut préciser que si le produit est industrialisé, nous comptions assembler les charnières uniquement avec des vis.

Enfin une fine couche de peinture a été appliqué sur l'ensemble du prototype.

 

      

Prototype assemblé

 

 

 

Vidéo de démonstration

VII/ TEST D'UTILISATION

Une fois le prototype assemblé, nous l'avons soumis à un test dans un simple trajet à bord d'un train. Nous avons pu évaluer certains critères comme l'encombrement et son efficacité lors de l'utilisation. De ce test se dégage plusieurs points positifs :

L'encombrement de l'extension est minime et elle s'adapte facilement à plusieurs sacs de transport comme un sac à dos où une  housse d'ordinateur portable. Son poids est pratiquement négligeable par rapport au reste des affaires contenu dans un sac de voyage. Le prototype respecte très bien les critères d'encombrement établis par le cahier des charges.

L'extension de tablette peut être réellement utile lors de long trajets. Sa facilité de mise en oeuvre permet de déployer une surface supplementaire en très peu de temps et sur n'importe quelle tablette proposée par les trains . Cette nouvelle surface va permettre aux utilisateurs d'utiliser un ordinateur portable tout en mangant ou encore  par exemple d'avoir une surface plane permettant d'utiliser une souris d'ordinateur ou de prendre des notes. La fonction principale du cahier des charges et également respectée: obtenir une surface suplémentaire totalement fonctionnelle.

Néanmoins un point négatif est à signaler , en effet lors de l'utilisation du prototype nous avons noté quelques fragilités au niveau des butés d'arrêt ainsi qu'au niveau des charnières centrales. L'utilisation du prototype dans son environnement d'utilisation nous a permis de soulever ce problème et de montrer encore une fois l'intérêt du prototypage rapide dans le processus d'élaboration d'un produit. Ce genre de test d'utilisation permet de déboucher sur des re-conception où des modifications sur le prototype afin d'obtenir un produit final optimal.

Voilà quelques photos de l'expérience :

             

 

             

 

 

              

 

VIII/ CONCLUSION

     Il fut interressant de mettre en commun des savoirs  afin d'aboutir en très peu de temps à un prototype fonctionnelle. En plus des savoirs acquis dans le domaine du protoypage rapide, l'expérience fut enrichisante au niveau du travail d'équipe.  Le produit final est à la hauteur de nos espérances. L'étude de la fabrication d'une petite où moyenne série peut être interressant à envisager. L'automatisation de certaines parties de l'assemblage permettrait de supprimer les défauts présents actuellement sur le prototype. De plus, de cette expérience se dégage l'importance du protoypage rapide dans le procéssus d'élaboration d'un produit et l'importance du prototype pour améliorer le produit final.

 

 

IX/ ANNEXES

Mise en oeuvre machine :

Lien pour accéder au PDF mise en oeuvre machine (Stratoconception) : /files/gdilucca01/Mise_en_oeuvre_machine.pdf

 

Affichette :

Lien pour accéder au fichier PDF de l'affichette : /files/gdilucca01/affichette.pdf

 

Affiche A1 :

Lien pour accéder au fichier PDF de l'affiche : /files/gdilucca01/Affiche_Klapbord_A1(2).pdf

 

 

 

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