Tasse hélico-touillante : CALIXIPA©

Tasse hélico-touillante : CALIXIPA©

    Après une réflexion intensive sur de nombreux projets, notre choix s’est tourné vers un projet réalisable à partir des moyens mis en place tels que le temps, le budget,les dimensions, la complexité et le matériel présent au sein de l’INSA de Strasbourg (découpeuse laser, imprimante 3D, et la stratoconception)

  C’est ainsi que nous nous sommes tournés vers un projet de tasse dont le contenu peut être touillé grâce à un mécanisme actionné à l’aide d’une seule main. Ce projet a été pensé afin d'aider les personnes souffrant d'un handicap de la main. Cette tasse permettra ainsi de touiller la boisson de l'utilisateur sans entité externe à l'objet.

Le produit Calixipa© (du latin Calix – tasse et Ipa – tournant) est un objet innovant et ingénieux du point de vue mécanisme.

    II. Analyse fonctionnelle :

  Nous avons fait une analyse fonctionnelle dans le but de rechercher et caractériser des fonctions en vue de satisfaire les besoins attendus par l'utilisateur pour ce produit.

Diagramme bêtes à cornes 

 

Diagramme Pieuvre

FP : fonction principale

FC : fonction contrainte

FP 1 : L’utilisateur doit pouvoir touiller une boisson sans besoin d’élément externe.

FC 1 : Le coût du produit doit être abordable à tous les utilisateurs.

FC 2 : Le produit doit posséder une durée de vie importante.

FC 3 : La tasse hélico-touillante doit être constituée d’un matériau :

            - supportant un effort quotidien

           - résistant à la chaleur,

            - non cancérigène

            -étanche.

FC 4 : Le produit doit être agréable à l’œil et se démarquer des produits existants.

FC 5 : L’environnement de l’utilisateur doit être en corrélation avec le produit, celui-ci se doit donc d’être raffiné. Le produit doit posséder des fonctions utiles à l’utilisateur.

FC 6 : Le produit doit être accessible aux personnes souffrant d’un handicap de la main.

  III. Vers la conception du produit :

  Nous nous sommes tout d’abord tournés vers la conception du mécanisme qui permettra de faire tourner le liquide dans la tasse. Ainsi, nous avons pensé à un système d’engrenages qui entraînera une hélice grâce un axe tournant.

    

Cependant, le problème majeur fut l’étanchéité. Celle-ci ne pouvant être assurée sans utilisation d’un joint d’étanchéité. Nous avons ainsi cherché des catalogues de fournisseur et notre choix s’est tourné vers un joint à lèvres réagissant en fonction de la pression du liquide.

On peut voir que ce joint permet de résister aux températures imposées par notre produit et conviendrait parfaitement à notre utilisation.

Pourtant, vu que la pression du liquide contenue dans notre tasse est faible, le joint ne garantirait pas l’étanchéité. Nous avons ainsi dû repenser à une solution.
L’idée fut de remplacer l’axe tournant par un système magnétique. Ainsi le mécanisme et le contenu ne sont plus en contact. Cela permet aussi une bonne transmission du mouvement. 

Notre choix s'est tourné vers des aimants ronds de 10 mm de diamètre et ayant un champ magnétique propice à notre utilisation :

   

Le champ magnétique induit par l'aimant, attire l'aimant en contre-bas qui permet ainsi la rotation de l'hélice.

Calculons la force d'adhérence maximale de notre aimant en prenant : S=π*(5.10-3)2  m² et B=0.62 T on obtient F=12 N soit 1.2 kg

Les aimants ont été placés dans la roue dentée intérieure et dans l’hélice, permettant ainsi de faire tourner l’hélice lorsque l'opérateur actionne le pignon extérieure.

     

Ces deux pièces ont été réalisées à la découpeuse laser, celle-ci étant plus précise et moins coûteuse. Cela nous a permis de faire plusieurs essais de dents afin d'optimiser la vitesse de rotation de l'hélice.

Ci-dessous, un exemple d'optimisation avec à droite l'engrenage final et à gauche celui-réalisé pour le prototype :

  

 Ci-dessous l'hélice, avec son cône permettant de minimiser les frottements entre l'hélice et le socle de la tasse :

                   

Ensuite nous sommes allés vers la recherche et la conception d’autres fonctions utiles à l’utilisateur. Les premières idées furent :
-    Des encoches sur le bord permettant de maintenir un sachet de thé       
-    Un porte gâteau (cookie)
-    Un porte sucre

Notre projet s’est restreint au porte gâteau, étant pour nous la fonction majeure. En effet, vue les dimensions de notre projet, le sachet de thé aurait été trop imposant.

Et enfin dans le but d'obtenir une tasse moderne, nous avons procédé à une coupe d'angle 8° permettant d'avoir l'illusion que le tasse et son support ne fasse qu'une seule entité. 

Ainsi, nous avons modélisé notre produit comme montré ci-après :

Premier prototype réalisé à l'imprimante 3D :

L'hélice ayant été endommagée par la découpeuse laser, nous avons dû la réaliser à nouveau à l'imprimante 3D Ultimaker :

 Ci-dessous, le résultat de cette dernière :

 

Sur la photo de droite, on peut observer la présence d'une plaque en plastique permettant d'isoler les aimants. Ces derniers ne seront donc pas en contact avec le fluide contenu dans la tasse. Cela respecte ainsi la norme en vigueur. 

Pour le rendu final, nous avons apporté quelques modifications :

- Augmentation de la hauteur du mug de 75 à 85 mm
- Abaiser la hauteur du socle
- Déplacer le porte-cookie en hauteur
- Augmentation de la taille de la anse
- Ajouter le logo INSA


  Caractéristiques : 

 Produit : Mug hélico-touillant
 Utilisation : Permette à l'utilisateur de touiller sa boisson
 Matière : Plastique ABS
 Compatible avec : Boissons diverses
 Poignée : Oui
 Capacité : 0.2 L

 Dimensions :      Hauteur 85 mm

                          Longueur 80 mm

                          Largeur 80 mm

Rendu réaliste du projet final après modification du prototype :

 

 IV. Analyse et simulation mécanique du projet :

A) Etude des forces :

 Afin d'étudier la résistance mécanique de notre produit, nous utiliserons la science des matériaux à cet effet. Celle-ci nous apprend que l'effort maximal subit se situe au niveau de la anse lorsque l'utilisateur tiendra sa tasse.

Déterminons les forces agissant sur notre produit : - Le poids P

                                                                                - La réaction normale R

Ensuite calculons la valeur du poids subit lorsque la tasse est pleine : 

 Masse de la tasse pleine : 300 g, soit un poids de 3 N en prenant pour accélération de la pesanteur g= 10 m/s²

  Nous en déduisons la valeur de la réaction normale R à partir du Principe Fondamental de la Statique :        on en déduit que ||R|| = ||P||

Calculons ensuite le moment fléchissant maximal : Mf max = || R || x 75.10-3  =2.25 Nm

                                                                                                                                                       Schéma de la tasse montrant les forces 

Le matériau utilisé pour la maquette est de l'ABS ayant comme limite élastique Re= 40 Mpa 

De plus comme la géométrie de la anse est cylindrique, le moment d'inertie au centre de gravité G :  IGz πd4 / 64 

On isole d, et on en déduit que d ≥ [ ( s x Mf max x 32 )/( Re x π) ]1/3             

A.N :  En adoptant un coefficient de sécurité de 2, on obtient d= 10.4 mm 

L'étude n'ayant pas été faite avant le premier prototypage, nous avons changé le diamètre de la anse pour le produit final afin de respecter la valeur du diamètre calculé à partir de cette étude. Nous avons ainsi un diamètre de 10 mm, respectant ainsi le cahier des charges imposés. 

 

B) Etude des frottements : 

Le frottement est une fore qui s'oppose à la création d'un mouvement entre deux systèmes en contact. Ces derniers ont pour conséquence des pertes d'énergies et dans notre cas de ralentir la vitesse de l'hélice. 

 1) Contact hélice - socle : frottement solide 

  Lors du contact solide-solide, les frottements sont importants dûes à une importante surface de contact.

Pour obtenir des performances optimales, il est nécessaire d'utiliser un système qui pourra limiter ces frottements. Dans cette quête de performance, nous avons choisi de créer un cône permettant de minimiser la zone de contact entre les deux éléments et ainsi minimiser les frottements.En effet, les aimants étant placés dans l'hélice et dans le pignon, cela entraîne une attraction entre l'hélice et le socle. Nous pouvons ainsi modéliser notre solution par la figure ci-dessous :

 

Calcul de l'angle minimal afin d'éviter que le cône se coince dans l'hélice à partir du coefficient de frottement de l'ABS  µ=0.5 :

 Le coefficient de frottement donne : tan(α)=µ , on en déduit α=26°

Ainsi nous avons mis un angle de 45° afin de garantir le non-coincement du cône dans l'hélice et ainsi optimiser la vitesse de rotation de l'hélice.

 

 2) Contact hélice-eau : frottement fluide 

  

Schéma et photographie montrant le frottement fluide

Un frottement fluide est une force de frottement qui s'exerce sur un objet qui se déplace dans un fluide. Dans notre cas, la rotation de l'hélice se fait dans diverses boissons telles que le café, l'eau, le thé .. Cette diversité de fluide faisant varier le coefficient de frottement, nous ne calculerons pas la force de frottement propre à chaque fluide. 

V. Procédés de fabrication en vue de la réalisation du projet :

Dans la pensée d'une production future, nous avons réfléchi au procédé de fabrication retenu afin de réaliser notre projet.

Notre choix s'est tourné vers le procédé de moulage par injection, propice au travail de forme d'une tasse.

 Le moulage par injection consiste à mélanger de la poudre de céramique avec une quantité suffisante de polymère ou d'un autre liant mou afin de produire une pâte moulable. Cet article est alors injecté sous pression dans un moulage. Avec les propriétés d'écoulement appropriées et la force, le mélange peut être moulé aux formes complexes et délicates

 VI. Maquette finale :

Après les différentes modifications et améliorations apportées au mug vu précédement (cf. partie III. Vers la conception du produit) voilà le résultat de la tasse après impression 3D et après un traitement de surface chimique à l'aide de vapeur d'acétone. 

 

Ci-dessous les différents documents complémentaires au projet :

VII. Conclusion :

Ce projet nous a permis de nous initier au développement et à la réalisation d'une idée commune. Nous avons pu travailler en groupe où chaque personne pouvait ramener son idée au projet. Cette dimension du projet nous a permis de toucher du bout des doigts l'un des fondements de notre futur métier qui est le travail en équipe.

Nous avons pu aborder le fonctionnement de différentes machines de prototypage rapide présent au sein de l'INSA. Ce projet nous a ainsi permis de nous familiariser avec les différentes machines, dont nous pourront encore sans doute avoir besoin dans les temps à venir pour d'autres projets divers.

 Nous avons été heureux de pouvoir réaliser ce projet du début à la fin, mené de bout en bout par une équipe active et ambitieuse. Nous avons été fier de pouvoir rapporter une dimension mécanique à notre projet, clin d'oeil à notre branche d'enseignement respectif. 

Enfin, la page a été pensé pour proposer une lecture optimale à nos lecteurs en dimensionnant les images automatiquement suivant le support de lecture : smartphone, ordinateur, tablette. 

Article rédigé dans le cadre du module " Projet Maquette " par KREBS Maxime, MARFING Loïc, SELLET Hugo & DOUAZOU El-Mehdi

 

 
 
 
 

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