Ustensile Multiusage de cuisine

 

 

I.INTRODUCTION

Dans le cadre de notre deuxième année de formation d'ingénieur en génie mécanique à l'INSA de Strasbourg, nous avons été amenés à concevoir un projet innovant.

Après avoir étudié les différentes propositions de projet des membres de notre groupe, nous avons finalement décidé de concevoir un manche avec différents embouts que l'on pourrait facilement attacher et détacher. Ces embouts seraient divers ustensiles de cuisine courants tel qu' une louche ou une spatule.

Ce projet a pour but de faire gagner de la place dans la cuisine de l'utilisateur, de lui permettre de changer rapidement d'ustensile selon ses besoins et de disposer d'une gamme d'istensile aux fonctions inédites ou améliorées.

Idée :

 

Le produit se constitura de deux parties : un manche universel et un embout  que l'on pourra y emboiter et désolidariser facilement par le biais d'un système d'assemblage simple.

II. ANALYSE FONCTIONNELLE DU PRODUIT

 

 Diagramme bête à cornes

 

 

 
 
 Diagramme pieuvre (phase de fonctionnement)
 
 
 
 
 
 
 

Fp1 : Transmettre les efforts et les mouvements initiés par la main aux aliments traités

Fp2 : Réaliser sur les aliments différents types d'actions

 

Fc3 : S'adapter à la main de l'utilisateur

Fc4 : S'adapter aux aliments

Fc5 : Ne pas endommager les récipients

Fc6 : Résister à l'air ambiant de l’environnement d’utilisation (cuisine)

Fc7 : Respecter les normes sanitaires et de sécurité

Fc8 : Etre ergonomique

Fc9 : Etre adapté au fonctionnement du moteur

Fc10 : Etre adapté au mode d’alimentation (piles)

Fc11 : Respecter l’état d’une préparation

Fc12 : Rester fonctionnel en présence de différents types de mixtures (visqueuses, liquides, solides…)

 

Caractérisation des fonctions et établissement d'un cahier des charges

Fonctions de services

Critères

Niveau

Flexibilité

Fp1 : Transmettre les mouvements et les efforts initiés par la main

Résistance en torsion

20 N/m

 

Résistance en flexion

20 N/m

 

Résistance en traction/compression

200N/m

 

Rigidité de le la liaison encastrement embout/manche

Absolue

 

Fp2 : Réaliser plusieurs types d’actions sur les aliments

Capacité de pénétration

 

 

Capacité de découpe

 

 

Résistance aux efforts

200N/m

 

Dimension suffisante de la surface fonctionnelle

A définir en fonction des embouts et leurs fonctionnalités

 

Fc3 : S’adapter à la main de l’utilisateur (manche)

Capacité d’absorption (sueur)

50 mL/h

 

Adhérence : 

- coefficient de frottement

 - Rugosité

 

 

0,1

 

Pas de nocivité pour la peau

Absolue

 

Surface (circonférence) d’emprise suffisante

Diamètre mini = 5 cm

 

Fc4 : S'adapter aux aliments (embouts)

Résister aux efforts (dus à la compacité d'une mixture par exemple)

200N/m

 

Absence d'odeur

 

Absolue

 

Absence de toxicité

 

Absolue

 

Fc5 : Ne pas endommager les récipients

 

Caractéristiques de surface du matériau non agressives

 

Rugosité < 1mm

 

 

Fc6 : Résister à l'air ambiant et aux conditions de l’environnement

 

Résistance à l'humidité

 

Humidité max : 70%

 

Résistance à la chaleur (définir température max tolérable)

 

200°C

 

Ne pas être inflammable

Point d’inflammabilité supérieur à 120 °C

 

Tf > 120 °C

 

Fc7 : Respecter les normes sanitaires et de sécurité

Absence de toxicité

 Absolue

 

Isolation électrique du manche

 Conductivité électrique <

 

Isolation thermique du manche par rapport aux embouts

 

Conductivité thermique < 0,1 W/m.K

 

Distance minimale entre les parties fonctionnelles et la surface d’emprise

 >10 cm

 

Fc 8 : Etre ergonomique pour l'utilisateur

 

Fixation rapide

 Environ 5s

 

Fixation facile et intuitive

A optimiser

 

Surface d’emprise suffisante (manche)

Diamètre > 4 cm

 

Fc9:Etre adapté au fonctionnement du moteur

Frottements minimaux entre le moteur et son alésage

 

 

 

Transmission minimale des vibrations

 

 

Fc10 : Etre adapté au système d’alimentation électrique

 

Compatibilité avec voltage de piles conventionnelles

Voltage conventionnel 

 

Fc11 : Respecter l'état d'une préparation

Finesse et précision de la surface fonctionnelle

Epaisseur de la surface fonctionnelle < 5mm

 

Fc12 : Résister/Rester fonctionnel en présence de différents types de textures (fluide, solide, liquide visqueux...)

 

Isolation du mécanisme d’encastrement [aucune substance ne doit pouvoir s'y introduire]

 

 

Absolue

 

Isolation du mécanisme d’alimentation électrique [aucun élément extérieur ne doit pouvoir s'y introduire]

Absolue

 

 
 
 
 Diagramme pieuvre (phase de repos)
 
 
 

Fc13 : Tenir dans des rangements

Fc14 : Résister aux produits d’entretien

Fc15 : Etre facilement lavable

Fc16: Ne pas endommager les ustensiles de cuisine environnants

Fc17 : Résister à l’air ambiant

Fc18 : Etre adapté au système d’alimentation électrique

 

Caractériation dees fonctions et établissement d'un cachier des charges

Fonction de services

Critères

Niveau

Flexibilité

 FC13 :Tenir dans des rangements/ ne pas encombrer

Dimensions minimales

 

< 30 cm

 

Volume occupé par l’ensemble minimal

 

< 700cm3

 

FC14 : Résister aux produits d’entretien

Peinture/revêtement résistant

A optimiser

 

FC15 : Etre facilement lavable

Etanchéité

 

 

 

 

Nombre maximal de surfaces accessibles

A optimiser

 

FC16 : Ne pas endommager les ustensiles de cuisine environnants

 

 

 

FC17 :Résister à l’air ambiant

Résistance à la chaleur

 

Température maxi = 40°C

 

FC18 : Etre adapté au système d’alimentation électrique

Compatibilité avec voltage de piles conventionnelles

Voltage conventionnel

 

 

Hiérarchisation des fonctions
 
 
 

II.CONCEPTION DU PRODUIT

   1. Etude du mode d’encastrement (liaison embout/manche)

Afin de réaliser liaison encastrement entre le manche et les embouts,  nous avons  d’abord envisagé plusieurs types de solutions.

La liaison devait être capable d’assurer le maintien et la rigidité de l’ensemble et de supporter à la fois les efforts transmis par l’utilisateur et les efforts subis au niveau du traitement des aliments.

Nous avons d’abord envisagé un mode de fixation par vissage. L’extrémité du manche aurait été alésée puis taraudée tandis que la partie de l’embout engagé dans l’assemblement aurait été filetée. Cependant, cette solution nous a semblé peu satisfaisante, du point de vue du critère relatif au temps de fixation requis.

Nous avons donc décidé de considérer des solutions associées à des temps de fixation moindre que celui d’un vissage.

Nous avons ainsi pensé à fixer les embouts et le manche par aimantation, mais cette solution nous a très vite semblé difficilement réalisable dans la mesure où les éventuels éléments métalliques présents dans le milieu de fonctionnement du produit pourraient alors en entraver le fonctionnement.

Nous avons finalement décidé d’opter pour un mode de fixation basé sur un système tenon/rainures permettant d’assembler le manche (pièce femelle) avec l’embout (pièce mâle). Le maintien de l’assemblage repose sur un léger jeu négatif entre les alésages au niveau du manche et les tenons au niveau des embouts. Ces tenons sont introduits dans les rainures par déformation puis immobilisés par serrage.

     L'extrêmité des embouts constitue une pièce male formée de quatre tenons répartis sur un cercle. Elle se fixe sur l'arbre dont l'extrêmité est constituée d'un système de rainures de forme complémentaire. Le maintien de la liaison est assuré par l'existence d'un serrage entre les deux composantes.

 

   2. Conception des embouts

 

Spatule Classique

Une spatule classique a été intégrée  à notre panel d’ustensiles amovibles. C’est avec cet embout que la majorité de nos tests de prototypage ont pu être réalisé et que la fonctionnalité du produit (notamment l’efficacité du système de fixation/ défixation embout/manche) a pu être validée.

Afin de donner à notre produit une originalité supplémentaire, nous avons également conçu des embouts aux fonctionnalités nouvelles ou améliorées.

Spatule rotative

La spatule rotative est une spatule animée mécaniquement grâce à un moteur intégré dans un logement intermédiaire. Elle est capable de mouvements rotatoires indexés de 180°. De ce fait, certains mouvements de l’utilisateur  normalement requis en cuisine (comme la rotation du poignet) peuvent être supprimés.

Spatule rotative. Un moteur électrique incorporé dans un logement intermédiaire permet la transmission d'un mouvement de rotation à la spatule.

 

Capteur thermique

Cet embout permet de contrôler à distance la tempérarure d'un objet. Un capteur situé sur le front de l'embout détecte la température d'un élément visé puis l'affiche sur l'afficheur.

Capteur de température. Une diode incorporée dans l'embout permet de relever la température qui est alors affichée par un afficheur.

 

Couteau double-lame

Le couteau double lame est un embout à double tranchant. L’une des lames est constituée d’un ensemble de dents permettant de couper des aliments de texture résistante tels que le pain ou les viandes. La seconde lame est pourvue d’un tranchant lisse pour les aliments plus mous et de consistance moins rigide (que la première lame pourrait éventuellement endommager).

 

Panoplie complète des embouts concus et leur manche

   3. Conception du manche

                Forme et dimensions

La forme et les dimensions du manche ont été choisies telles qu’elles permettaient de garantir une prise efficace et agréable pour l’utilisateur. Les dimensions devaient également permettre d’assurer la résistance du manche aux efforts appliqués par l’utilisateur.

La longeur du manche est d'environ 30 cm.

                Motorisation et système d’alimentation

Nous avons décidé de motoriser et de rajouter une composante électronique à notre produit afin d’en diversifier les fonctionnalités.

Le moteur intervient notamment dans le fonctionennement de la spatule rotatoire. Il est incorporé dans un logement intermédiaire au niveau duquel se réalise la liaison embout/manche.

Le manche quant à lui est pourvu de piles permtettant d'alimenter le moteur ou le capteur thermique lorsque le contact embout/manche est réalisé. 

L'alimentation électrique des embouts est possible grâce à des contacts présent au niveau de la liaison embout/manche. Ces contacts permettent la transmission d'énergie depuis les piles présentes dans le manche vers les composantes présentes dans les embouts.

 

IV. FABRICATION

La partie mécanique la plus complexe de notre projet, est sans aucun doute l'extrémité du manche et des embouts devant réaliser la fixation. Cette fixation doit être solide pour résister aux efforts transmis à la pièce lors de son utilisation tout en permettant à l'utilisateur de changer rapidement d'embout sans trop d'efforts.

Nous avons en premier pensé à une fixation par vissage en réalisant un filetage sur le manche et en taraudant chaque embout. N'étant pas satisfait de ce moyen de fixation, nous avons ensuite songé à un système fonctionnant avec des aimants, mais cette idée fut également rapidement abandonnée car le manche se serait constamment fixé sur les récipient métalliques utilisés pour cuisiner.

Finalement nous avons opté pour un système de fixation par serrage où l'utilisateur n'aurait qu'à faire un huitième de tour pour détacher et attacher les differents outils de cuisine. 
 
Afin de s'assurer du bon fonctionnement de notre système de fixation, nous avons d'abord fabriqué un premier prototype constitué du manche et d'un simple outil de cuisine (spatule). Nous avons utilisé l'impression 3D pour realiser nos pieces, dessinées au préalable sur SolidWorks. 
L'imprimante que nous avons choisie est la Fortus 250 MC, pour des raisons de dimensions (254*254*305mm max), sachant que le manche a une longueur de 250mm.
 
   1. Réalisation des prototypes
 

       Résultats du premier prototype

Une fois notre premier modèle imprimé, nous avons pu faire les constatations suivantes :
 
-L'impression 3D d'une pièce est relativement lente, il nous a fallu 21 heures d'impression pour obtenir notre modèle.
-La partie supérieur de la spatule est beaucoup trop épaisse et la forme générale ne nous satisfait pas
-Les pièces mâles et femelles ne s’emboîtent que très difficilement l'une dans l'autre. Cela est du au fait que le jeu est insuffisant, afin d'y remédier nous allons ajuster l'embout avec un jeu de 0,3mm sachant que la machine utilisée à une incertitude de 0,24mm.  
-Le manche est cependant plutôt conforme à ce que nous attendions
 
Résultats d'impressions :
 
 
 
 
Vu les résultats obtenus lors de la première impression, nous avons décidé de refaire un modèle de spatule en éliminant les épaisseurs inutiles ainsi que 3 embouts avec chacun un jeu différent (0,2;0,4 et 0.6mm) pour avoir le serrage voulu. Nous avons également imprimé un premier modèle du couteau double lame.
 
Nouveaux modèles envisagés :
 
nouvelle spatule :
 
couteau double lame :
 
 
 

   Resultats de la seconde impression

-La forme globale de la spatule nous convient, mais sa rigidité nous permettrait d'encore éliminer quelques épaisseurs inutiles,
-Le couteau correspond à nos attentes, il faudra tout de même limer la lame et les dents,
-Les 3 jeux différents des embouts sont acceptables mais le serrage reste cependant trop "léger".

 

  Resultats de la troisième impression

Pour cette impression nous avons décidé d’imprimer deux nouveaux jeux, comme les précédents  ne nous satisfaisaient pas. Nous avons également imprimé les embouts allants accueillir la spatule tournante et le capteur de température. Nous avons pu faire les constatations suivantes :

- Le jeu du dernier embout correspond parfaitement à nos attentes : 0,20mm.

- Nos embouts sont en adéquation avec les composants électroniques, excepté l'emplacement du servomoteur qui est légèrement sous dimensionné.

- Notre impression nécessite trop de matériel, il faudrait évider l’intérieur des embouts pour économiser la matière lors d'une production en série.

 

   2. PRODUIT  FINAL

.

 

IV. VERS UNE OPTIMISATION DU PRODUIT

 

Dans le but d'une commercialisation et d'une production à plus grande échelle, on chercher à optimiser les propriétés de notre produit afin de le rendre fonctionnel et conforme à notre cahier des charges.

 

   1. Choix du matériau

On cherche à déterminer le matiériau adéquat pour notre ustensile.

Ce matériau devra permettre de répondre au mieux aux contraintes établies dans le cahier des charges. Pour cela, on réalise une hiérarchisation des différentes propriétés:


- Prix (+:bon marche-:cher)
- Volume massique (+:leger/-:lourd)
- limite d'elasticite (+:grand/-:petit)
- toxicite
- conductivite thermique (+ : petit / - : grand)
- conductivite electrique (+ : petit / - : grand)
- temperature de fusion (+:grand/-:petit)
- Prix a usiner (+:bon marche-:cher)


 

Le logitiel CES nous permet alors de classifier les matériaux en fonction  de ces différentes propriétés et de sélection celui ou ceux dont les prorpiétés répondent  aux plus grands nombre de crtières.
Une pemière sélection de matériau est réalisée à partir des critères les plus importants. Le choix pourra être affiné grâce à des critières plus secondaires.
Le critère de toxicité ne pouvant pas être vérifié par le logiciel mais demeurant l'un des plus importants, on rejettera automatiquement les matériaux toxiques parmi les matériaux retenus en fin de sélection.
 
Température de fusion (200~550°C)
 
[insérer capture écran]
 
matériaux retenus :
Polyamides
Etain
PET
PTFE
Plomb pur
PEEK
Platre de Paris
Zinc pur
Magnésium
Aluminium
 
Conductivité thermique (<=1W/m.°C)
 
[insérer capture écran]
 
PTFE
PET
Ployamides
plâtre de Paris
PEEK
 
Masse volumique (1.13*10^3 ~ 2.17*10^3kg/m^3)
 
[insérer capture écran]
(du plus léger au plus lourd)
Polyamides  
PEEK
PET
Plâtre de Paris
PTFE           
 
Prix
(du moins cher au plus cher)
Plâtre de Paris    (non usinable)   
PET
Polyamides
PTFE
PEEK     
 
Limite Elastique ( > 200*10^(-6) MPa)
 
Plâtre de Paris        - performant
PTFE
PET
Polyamides
PEEK            + performant
 
Réistivité électrique (>10^15 micro ohm cm)
Polyamides        - performant    
PET
PEEK
PTFE            + performant
 
 
 
On retiendra donc PTFE comme matériau le plus adéquat. (Problème: le prix....)
 
 
   2. Tenue mécanique
 
 
Coefficient de la securite = 2
Longueur totale = 35cm

Contrainte Flexion

On suppose que la force  maximale admissible devant être supportée par le produit est de 20N (conformément au cahier des charges établi), afin de prendre en compte à la fois le poids des aliments amenés à être soulevés, et les éventuelles forces s'exerçant associées à certaines actions effectuées par le produit (force de résistance associée au mélange d'une mixture, application d'une force par l'utilisateur pour la découpe d'un aliment...).

On suppose ainsi que la liaison encastrement réalisée entre l'embout et le manche est une liaison parfaite. On associera l'ensemble manche+embout à une poutre rigide de section carrée de côté a à déterminer.

On admettra que les forces à l'origine des contraintes de flexion sont de direction unique (normale à l'axe de notre poutre).
Dans le cas d'une action de découpe, elles correspondent à la force exercée par la main de l'utilisateur et s'appliquent au niveau l'extrêmité du manche.
Dans le cas de la levée d'un objet, elles correspondent au poids de l'objet à soulever et s'appliquent au niveau de l'extrémité de l'embout


On cherche à dimensionner notre manche afin qu'il puisse supporter les efforts de flexion.

Si on suppose que l'effort maximal F à supporter par notre poutre de longeur L est un effort de 20 N normal à la ligne moyenne de notre poutre et s'exerçant à son extrêmité, le moment fléchissant maximal s'exerçant est :
Mfmax = F*L  = 20*35 = 700N/mm

La contrainte de flexion maximale est alors donnée par :
Rmax = (Mfmax/Io)*a/2
 avec Io = (a^4/12)
 
On cherche à déterminer la valeur de a pour cette contrainte ne dépasse la contrainte admissible du matériau sélectionné.
 
La résistance élastique à la traction de notre matériau (PTFE) est de 10 MPa. On utilisera un coefficient de sécurité de 2.
a doit donc être tel que :
(Mfmax/Io)*a/2 ≤ 5 MPa
 
 
Contrainte de torsion
 
La contrainte de torsion intervient principalement dans le cas où le produit est sollicité pour mélanger une mixture.
On supposera que le couple maximal Mt devant être supporté est de 20 Nm.

L'ensemble manche+embout est toujours assimilé à une poutre rigide.

Les contraintes tangentielles de torsion sont liées à l'application d'un couple au niveau de l'extrêmité du manche par la main de l'utilisateur et au couple opposé exercé en réaction par la mixture traitée au niveau de l'extrêmité de l'embout.




          
 
 
 

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