Groupe F

Inductive Pen Holder

Un pot à crayons déployable permettant de recharger son téléphone sans fil

 

 

Préambule

Dans le cadre du module Optimisation Produit, nous avons formé un groupe de réflexion visant à concevoir un projet. Nous connaissant déjà préalablement avant le début des premières séances, nous avons décidé de nous regrouper tous les  quatre :
- Eva Kouyoudjian
- Romain Perrin
- Maxime Lorée
- Simon Lakhlef
afin d'unir nos diverses connaissances et répondre au sujet.
Notre consigne était celle-ci : réaliser une maquette d'un produit permettant d'améliorer/optimiser un objet/une tâche quelconque tout en étant original et utile. Il nous a aussi été précisé de concevoir une chose ni trop simple ni trop compliquée, mettant donc en défi notre ingéniosité.
Après maints brainstorming et autres tableaux d'idées, et après le feu vert de nos enseignants M.Cavallucci et M.Coulibaly, nous nous sommes donc engagés dans la conception du projet suivant : Un pot à crayons pouvant recharger par induction un smartphone !

Introduction

Durant notre recherche de produit, nous souhaitions améliorer un objet de notre quotidien. Le smartphone étant un objet que nous utilisons tous les jours, nous avons envisagé de concevoir un accessoire facilitant son utilisation.
Or, le marché des accessoires pour téléphone portable est déjà bien développé, nous nous sommes donc intéressés à une technologie de téléphone portable présente sur le marché depuis quelques années, et qui se voit récemment apposée sur les derniers modèles : la  recharge sans fil.
Le principe est simple, la batterie du téléphone se recharge par induction lorsqu’il est déposé sur une base (cette dernière est généralement placée sur un bureau ou une table de travail).
Le défaut majeur de ce principe est la base de rechargement lorsque celle-ci n’est pas utilisée : elle s’égare facilement dans nos affaires et elle peut vite paraître encombrante.

Nous avons alors eu l’idée suivante : concevoir un pot à crayon, contenant le  chargeur à induction dans un tiroir.

En effet, le pot à crayons est un élément indispensable sur le bureau de la plupart des utilisateurs de smartphones, et possède l'avantage d’être discret, accessible, utile et simple d’utilisation. Lui rajouter une fonctionnalité tout en conservant ses caractéristiques était un challenge pour nous.

Etude de la concurrence

Une fois notre projet fixé, nous avons recherché si des produits similaires étaient déjà commercialisés.

Voici deux exemples présents dans le commerce :

Le premier est un produit assez semblable à notre pot à crayons : le plumier chargeur à induction.


Ce plumier est présent sur le marché mais n’est pas très développé. Notre pot à crayons peut être considéré comme innovant par rapport à ce plumier : En effet, ce plumier est encombrant de par sa taille. De plus la recharge à induction est toujours visible par l’utilisateur et peut paraître encombrante lorsque celui-ci ne souhaite pas l’utiliser.

Notre pot à crayons présente un rangement vertical des stylos, qui permet un gain de place important sur la surface du bureau.

Le deuxième est un pot à crayons chargeur USB. La fonction principale de ce pot à crayons est identique à la notre. Le mode de chargement diffère: ici le téléphone se charge par port USB.

 

Validation de l'architecture de l'objet

Concernant le tiroir du pot à crayon, nous avons eu plusieurs idées :
Dans un premier temps, nous avons pensé créer une encoche dans le tiroir afin que l’utilisateur puisse insérer son propre boîtier à induction. Or, selon les différents boîtiers que proposent les marques de smartphones présentes sur le marché, aucun ne possède les mêmes dimensions.

Nous avons donc choisi d’intégrer le chargeur à induction dans le tiroir rendant ainsi le pot fonctionnel dès son achat. Les dimensions du chargeur par induction sont basées sur des composants électroniques que nous avons achetés pour ce projet.

Ensuite, nous voulions proposer une utilisation ludique de ce tiroir pour l’utilisateur. Nous avons pensé concevoir un tiroir possédant un socle réglable, pour pouvoir incliner son téléphone lors de la recharge. Cependant les différentes techniques que nous avons pu imaginer ne permettaient pas de conserver les caractéristiques que nous nous étions fixées.

Nous avons alors décidé de créer un bouton poussoir afin de faciliter l’ouverture du tiroir. Or le manque de précision de l'imprimante 3D ne  nous a pas permis de concevoir correctement le bouton poussoir. Nous avons donc abandonné cette idée.
Solution retenue : une avancée est placée à l'arrière du pot à crayon, exercer une pression dessus permet l'ouverture du tiroir.

Analyse fonctionnelle

Concernant l’analyse fonctionnelle du système qui aboutira au cahier des charges fonctionnel, on distinguera deux cas :

- En phase d’utilisation (fonction pot à crayons et fonction de recharge apparente)
- En phase de rangement (fonction de pot à crayons, la recharge n’est pas visible)

Phase d’utilisation

Bête à cornes :

Dans quel but ? Intégrer la base de chargeur sans fil à un poste de travail afin que l’utilisateur puisse recharger son téléphone sans fil.

Diagramme pieuvre :

 

FP : Permettre la recharge sans fil du téléphone portable
FC1: La base chargeur doit être intégrée au pot à crayons
FC2 : Le téléphone ne doit pas s’abîmer durant le rechargement
FC3 : Le pot à crayons doit supporter les différentes fournitures de bureau
FC4 : Le pot à crayons doit être stable sur le bureau
FC5 : Le pot à crayons doit respecter les normes françaises et européennes
FC6 : Le pot à crayons doit résister aux conditions extérieures
FC7 : Le pot à crayons doit résister aux interactions avec les autres éléments du bureau
FC8 : Le pot à crayons doit être facilement utilisable pour l’utilisateur

Cahier des Charges Fonctionnel :

Fonction Élément
valorisé
Critères Valeur Flexibilité

FP

Recharge

Téléphone

Période de charge

Chargement par induction

Technologie de la batterie

Dimensions du téléphone

/

Induction

/

F0

F0

F1

FC1 Tiroir

Dimensions

Technologies d'ouverture du tiroir

Epaisseur

Surface de charge

/

Deux ergots placés à l'arrière du pot à crayon

/

/

F0

F0

F0

F1

FC2 Structure du téléphone

Préserver la structure

Stabilité du téléphone

Maintien du téléphone

/ F0
FC3 Architecture du pot à crayon

Dimensions

Matériaux

/ F2
FC4

Surface de pose du pot à crayon

Surface plane / F0
FC5 Normes Normes françaises et européennes / F0
FC6

Conditions ambiantes

Température

Oxydation

Tmax = 40°C

 

F1
FC7 Pertubartions

Champ magnétique

/ F0
FC8 Utilisateur

Niveau de formation

Simplicité d'utilisation

Aucun

Pas de manuel d'utilisation

F0

F0

 

Phase de rangement :

Bête à corne :

Dans quel but ? Permettre à l’utilisateur de rassembler ses fournitures de bureau et de les ranger dans le pot à crayons. Le tiroir possédant le chargeur à induction ne doit pas gêner l’utilisateur.

Diagramme pieuvre :

FP : Permettre à l’utilisateur de ranger ses fournitures de bureau
FC1 : Le chargeur ne doit pas gêner l’utilisateur
FC2 : Supporter les différentes fournitures de bureau
FC3 : Le pot à crayons doit être stable sur le bureau
FC4 : Le pot à crayons doit respecter les normes
FC5 : Le pot à crayons doit résister aux conditions extérieures
FC6 : Le pot à crayons doit être facile d’utilisation pour l’utilisateur

Cahier des Charges Fonctionnel :

Fonction Element valorisé Critères Valeur Flexibilité

FP

Ranger

Fournitures de bureau

Volume capable de rangement

Dimensions maximales des fournitures

10*8*8 cm

Taille d'un stylo

F1
FC1 Tiroir

Dimensions

Systeme de fermeture

Épaisseur

Similaire à la surface du pot à crayons

Système avec une avancée

F0

F0

 

FC2 Architecture du pot à crayons Matériaux Matières plastiques F1
FC3

Surface de pose du pot à crayons

Planéité / F0
FC4 Normes Normes francaises et européennes / F0
FC5 Conditions ambiantes

Température

Oxydation

Tmax = 40°C

F1
FC6 Utilisateur

Niveau de formation

Simplicité d'utilisation

Aucun

Pas de manuel d'utilisation

F0

F0

Démarche de conception

Nous avons commencé par dessiner à la main les différentes solutions techniques de notre pot à crayons, dont voici quelques extraits :

Une première idée était la suivante : proposer un tiroir possédant un socle réglable, pour pouvoir incliner son téléphone lors de la recharge. Nous avons modélisé cette première solution sur CREO.

Le but était de se faire une idée des dimensions que ce soit celle de la hauteur, largeur ou profondeur mais aussi de l’épaisseur des parois qui correspondrait le plus pour ce style de pot à crayons. La forme du pot a rapidement été trouvée, nous nous sommes donc penchés sur le tiroir qui devait accueillir notre système électronique. L’idée de la résolution du problème de l’inclinaison du portable était déjà en tête. En effet, en utilisant un bras réglable fixé au socle et pouvant glisser dans l’intérieur des parois du tiroir,
l’utilisateur peut régler l’inclinaison du tiroir à la hauteur souhaitée, et replier le tout et ranger le socle dans le tiroir lorsqu’il le souhaite.
Or lors de la modélisation, nous nous sommes rendu compte que cette solution ne fonctionnait pas. Du fait des dimensions que nous avions fixées pour notre pot à crayon, le tiroir n’était pas assez long pour que le socle puisse s’incliner suffisamment tout en maintenant le téléphone en position.

 

Nous avons mis à l’écart cette idée de socle inclinable, et avons pensé à une autre idée : concevoir un bouton poussoir situé sur le côté du pot à crayon. Le but était que l’utilisateur n’ait qu’une simple pression à effectuer pour que le tiroir sorte de son logement.
L’utilisation de ressorts de compression et d’un système de blocage du tiroir dans sa position (pour le rangement) permettrait de résoudre le problème.

Le système que nous avons imaginé, représenté ci-dessus, utilise une sorte de cran d’arrêt. En effet, dans la position fermée, deux ressorts de compression (représentés en tirets rouges larges) situés entre l’arrière du tiroir et l’intérieur de la face arrière du pot à crayons sont comprimés. En actionnant le bouton, celui-ci pivote et libère le tiroir qui est poussé vers l’extérieur par les ressorts.
Lorsque l’utilisateur souhaite ranger le tiroir, il le pousse dans son logement, en comprimant les ressorts à l’arrière, jusqu’à ce que le cran vienne bloquer le tiroir.

Après avoir modifié l’ébauche faite précédemment sur CREO nous obtenons un prototype satisfaisant. Nous avons fait un premier essai, pour nous faire une première idée. Nous avons choisi d’imprimer notre pièce grâce à l’imprimante 3D présente en FabLab. Au vu de l’architecture de notre pièce, nous pensions que c’était le moyen le plus adapté. Nous avons imprimé le pot à crayons, le tiroir et le bouton.

Première version du pot à crayons imprimée en 3d

Première version du tiroir : on remarque une importante courbure empêchant son fonctionnement

Deuxième version du tiroir : toujours le même problème (impression 3D non adaptée)

Bouton poussoir : élément trop fragile pour être fonctionnel

Nouvelle méthode de conception : assemblage de plaques découpées au laser(résultat probant, on s'est rendu compte d'un défaut de courbure dans le logement du tiroir du pot à crayons).


Le résultat n’était pas du tout satisfaisant : les surfaces que nous souhaitions planes étaient bombées. En effet, du fait du retrait du plastique en refroidissant, celui-ci tire sur les épaisseurs précédentes et peut décoller la pièce de la table d’impression pendant le procédé, créant des surfaces bombées. De plus, le plastique de support (utilisé pour créer les cavités internes, n’ayant pas de matière sur laquelle s’appuyer) présent dans l’encoche du pot à crayons ne s’est pas correctement évacué. En effet, la forme interne étant fermée, elle n’autorisait pas une circulation suffisante du bain chimique utilisé pour retirer le plastique de support. Ces restes de support empêchent l’utilisation prévue des ressorts de compression.
La précision de l'imprimante n'est pas assez grande pour pouvoir produire le cran d'arrêt. En effet, le trou que nous voulions utiliser pour réaliser la rotation du bouton est trop petit pour pouvoir être formé par impression 3D et du fait de la toute petite taille du bouton/cran d’arrêt par rapport au fil utilisé, la pièce est impossible à percer correctement.
Nous avons poursuivi notre réflexion, jusqu’à parvenir à notre idée finale, concevoir notre pot à crayons à la découpe laser. Après une nouvelle étude de la pièce et en s’appuyant sur notre modélisation CREO, nous avons remarqué que toutes les parois de notre projet sont d’épaisseur comparable, et que l’ensemble est plutôt de forme prismatique, ce qui nous a donné l’idée de réaliser notre projet avec un assemblage de plaques.
Le système d’ouverture de tiroir est également modifié pour répondre aux problèmes posés par le bouton, et est maintenant géré par des avancées présentes à l’arrière du tiroir. L’ouverture de ce dernier se fait en exerçant une pression sur les avancées.
Nous avons modélisé la solution sur CREO afin que le pot à crayons puisse s’assembler. On utilise un assemblage à doigts pour pouvoir facilement mettre les plaques en position avant de les coller. Notre modélisation se décompose en neuf pièces (+ les deux glissières).

CAO de la nouvelle solution adoptée : assemblage de plaques

Nous avons fait une première découpe sur une plaque de PVC.
Nous avons assemblé le pot à crayons avec de la colle de type « cellophane ». Le résultat est satisfaisant et correspond à nos attentes.

Plaques découpées et assemblées (rails non présents)

Nous avons effectué une seconde découpe sur une plaque de Plexiglas (PMMA transparent), qui donne un aspect plus moderne à notre objet qui permet de voir les composants électroniques utilisés et qui permet un excellent glissement du tiroir dans son logement, grâce au très bon état de surface du Plexiglas.
Par contre du fait de l’utilisation d’un plastique transparent, la colle apparaît fortement et donne un mauvais aspect au final.
Pour la version finale du produit et la production en grande série, on cherchera une colle transparente (type solvant) qui donnera un meilleur aspect si on décide d’utiliser un plastique transparent. Nous sommes satisfaits de notre rendu final, de plus ce moyen de conception présente de nombreux avantages :

  • Le coût :une plaque de Plexiglas est peu chère (environ 2€ la plaque). Les pertes de matières lors de l’usinage sont minimes et les formes plutôt rectangulaires des pièces permettent de minimiser le gaspillage.
  • La réalisation par assemblage et collage de pièces découpées au laser est beaucoup plus rapide que par impression 3D
  • Dans l’hypothèse d’une production en série, le fait de présenter notre pot à crayons en plaques est un avantage car il prend peu de
    place lorsqu’il n’est pas encore assemblé.

Bien entendu pour pouvoir faire fonctionner notre module de recharge sans fil, nous avons dû imaginer un moyen de faire circuler le courant entre l’arrivée d’énergie  sous forme d’un câble à l’arrière du pot et l’intérieur du tiroir. Le tiroir étant mobile et en liaison glissière avec le pot à crayons, nous avons pensé à utiliser des rails conducteurs pour amener le courant au niveau du module de recharge. Un contact entre le dessus du tiroir et les rails qui sont placés dans un double fond permet la liaison sans câblage qui aurait posé un problème d’encombrement au vu du cahier des charges et des dimensions voulues.
Afin de rendre visible l'électronique présente dans notre pot à crayons, nous avons réalisé une version transparente (à l'aide d'une découpe d'une plaque de Plexiglas) :

Plaque avec rails conducteurs

Électronique intégrée dans le pot à crayons

Etude de résistance des matériaux

Nous avons réalisé une étude préalable de résistance des matériaux sur la dernière version du tiroir. Pour cela, nous avons considéré un poids max de smartphone de 400 grammes et avons choisi le PVC comme matériau du pot à crayons :

Première et dernière étude : étude de contrainte ; deuxième étude : étude du déplacement

Comme cette étude le montre, notre choix de matériau est tout à fait convenable, en effet, les contraintes maximales au sein de la matière restent à des valeurs minimes.
Comme on peut le voir sur la seconde image, la flèche maximale du tiroir est d'environ 1/3 de millimètres si le téléphone est placé à l'extrémité du tiroir.

Commercialisation

Dans une optique de commercialisation, nous pouvons envisager la création d'une notice de montage fournie avec l'ensemble des pièces découpées, de  l'électronique ainsi qu'une colle adaptée et transparente.
Ainsi, les coûts de fabrication seront drastiquement réduits ce qui aura pour conséquence de diminuer le prix d'achat.
 

Conclusion

Ce projet représente un élément essentiel de notre formation, principalement par son processus inventif et la mise en oeuvre de différents moyens de production pour réaliser la maquette d’un produit innovant. Nous avons tâché de mettre à profit nos cours d’analyse de la valeur, d’analyse fonctionnelle et d’innovation de l’année passée.
Nous avons par ailleurs appris à nous servir de différents moyens de production (comme l’imprimante 3D Fortus et la machine de découpe laser Trotec) et avons approfondi nos connaissances sur le logiciel CREO en apprenant à réaliser des assemblages, une étude matériaux et des vues en coupe.
Nous étions quatre pour réaliser ce projet, nous avons donc dû nous répartir le travail et coordonner nos efforts en fonction des compétences de chacun. Ce projet s’inscrit bien dans ce semestre, et nous avons tâché de mettre à profit nos nouvelles connaissances (notamment en Construction, Fabrication et en Résistance des Matériaux) pour réaliser cette maquette.
Nous sommes assez satisfaits de notre production, et le produit final respecte bien le cahier des charges. Les moyens utilisés pour réaliser ce prototype correspondent à sa géométrie et à ses fonctions, et nous avons essayé également d’anticiper la production en grande série.


Notre plaquette est disponible ici : Inductive Pen Holder

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  • over a year ago

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