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BOOK 2o18 Simon Bourquin


Ingenieur en design industriel

specialisation Conception de systemes mecaniques


Ce book présente une sélection de projets sur lesquels j’ai travaillé au cours des trois ans de ma formation d’ingénieur en conception de systèmes mécaniques. Chacun de ces projets a des buts différents et fait appel à des compétences variées, bien représentatives de la polyvalence dont doit faire preuve un ingénieur aujourd’hui. Des projets les plus simples effectués avec peu de moyens aux plus complexes et aboutis, la ligne directrice est toujours bien tracée : une recherche de la performance et de l’efficience qui prend en compte le facteur humain. Car même dans ce milieu de conception de machines, l’utilisateur est un élément central dans la création d’un système complet. C’est ce mariage de la connaissance des technologies, d’un sens aigu de l’analyse, de la maîtrise des concepts théoriques et de l’intégration de l’utilisateur tout au long du processus de conception qui fait la force de ce métier, et la fiabilité des réalisations.

« Les détails font la perfection, et la perfection n'est pas un détail. » Léonard De Vinci

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Sommaire

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Robot grimpeur « Le Pont » _______________________________ 5 Banc de mesure pour vis a billes _____________________________ 7 Wafer tester « Waferstation » _______________________________ 9 Tete multibroches _____________________________________ 13 Structure de machine-outil 3 axes ____________________________ 15 Travail de bachelor ____________________________________ 17

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Robot grimpeur « Le Pont » Durée : 200 heures / 35 semaines Nombre de personnes : 5

DEMANDE Concevoir et construire un module autonome capable de grimper le long d’une tôle verticale en acier lisse de 2m de haut et 1m de large et de s’immobiliser au sommet pendant au moins 5 secondes, tout cela en gardant le contact avec la tôle. Le module doit être complètement autonome d’un point de vue mécanique, énergétique, et commande. Son activation doit se faire par la détection d’un flash blanc à l’arrière. Ses dimensions ne doivent pas dépasser 100x150x200 mm.

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OBJECTIFS

CONCEPT

Pour ce projet, nous avons misé sur la performance. Au terme de la phase de conception, un concours a eu lieu confrontant les différents modules de chaque équipe, le vainqueur étant celui qui arrive à grimper la tôle en un minimum de temps. Nous avons cherché à construire un module qui puisse aller vite et être stable en priorité, puis, comme axes de recherche secondaires sont venus l’originalité et le design du concept. Cette stratégie a été payante étant donné que nous avons terminé sur la troisième marche du podium sur 20 équipes.

Notre module ressemble à une voiture miniature avec 4 roues et 2 essieux. Son nom « le pont » vient du nom de la liaison entre deux roues d’un même essieux, un des éléments clés de notre robot. Les roues sont entraînées par un moteur couplé à un réducteur, puis une transmission à courroie réglable qui permet une réduction supplémentaire. Le module tient à la plaque par aimantation, deux rangées d’aimants sont collées sous le châssis. Chaque pont est réglable en hauteur ce qui permet d’ajuster et d’optimiser la force magnétique. L’adhérence permettant au robot d’avancer est obtenue par des bandes d’élastomère mou collées sur les roues (qui sont en POM).

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Banc de mesure pour vis a billes Durée : 80 heures / 15 semaines Nombre de personnes : 2

DEMANDE Dans une vis à billes, le frottement entre la vis, l’écrou et les billes crée un couple résistif de frottement. On doit pouvoir mesurer ce couple afin de caractériser complètement la vis à billes. Ce travail concerne le développement mécanique du banc. La mesure doit pouvoir se faire à différentes vitesses et pour plusieurs vis différentes, les diamètres variants de 15mm à 32mm et les longueurs de 50mm à 650mm. Deux pas de vis différents sont possibles : 5mm et 10mm. Le temps de changement de vis ne doit pas excéder 5 minutes. 7


OBJECTIFS Les trois mots clés de cette conception sont précision, ergonomie, et économie. Le système doit bien entendu être suffisamment précis pour remplir ses fonctions, il doit aussi être facile à utiliser et sécurisé, et finalement coûter le moins cher possible. Un autre aspect important est l’adaptabilité du banc, il faut trouver un moyen de changer de dimensions sans devoir démonter toute la machine.

CONCEPT La mesure du couple se fait grâce à un couplemètre lié rigidement à la pince ci-contre. La vis est tenue entre deux pinces bicôniques, ce qui permet de varier les diamètres. Un manchon spécial vient fixé sur le noyau de la vis, ce manchon possède trois bras avec des roulements aux extrémités, le roulement vient se loger dans une rainure dans une barre qui traverse tout le banc. Pour entraîner la vis, on fait tourner toute la bague bleue qui supporte la barre transversale, la barre fait tourner le manchon qui déplace le noyau sur la vis à billes. La vis est donc fixe et on peut mesurer le couple appliqué sur cette dernière par le noyau à l’aide du couplemètre. Tous les systèmes d’entraînement et de fixation sont conçus de manière à pouvoir se déplacer pour s’adapter à la longueur de la vis. 8


Wafer tester « Waferstation » Durée : 80 heures / 15 semaines Nombre de personnes : 2

DEMANDE Dans l’industrie des semi-conducteurs, les circuits intégrés sont gravés sur des wafers de silicium. Il s’agit d’un disque divisé en plusieurs circuits imprimés de 3mm de côté. Chaque circuit possède 6 pads de 0.5mm de côté répartis sur les bords du circuit. Pour tester ces circuits, on vient effectuer un contact sur les pads avec une tête de mesure munie de 6 pins, puis on envoie une batterie de tests électroniques. Pour ce faire, les pins de la tête doivent être absolument alignés avec les pads des circuits imprimés. Le diamètre d’un wafer donné est de 130mm. Le wafer mesure quelques dixièmes de millimètres d’épaisseur et possède un plat sur sa circonférence.

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OBJECTIFS Cette installation est prévue pour fonctionner en salle blanche, où le prix au mètre carré est très élevé. Un des objectifs principaux est donc de réduire au maximum la surface au sol du dispositif. Il faut également que le wafer soit toujours très propre, aucune poussière ne doit pouvoir venir se déposer sur la surface du disque au risque de perturber la mesure. La mise en place du wafer étant manuelle, l’objectif est de la rendre la plus simple possible, idéalement réalisable par du personnel non qualifié.

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CONCEPT Tout le système est disposé verticalement, ce qui permet de gagner de la surface au sol, de faire tomber les salissures au fond du boitier et non sur le wafer et de faciliter la mise en place du disque. On insère le wafer qui est guidé par deux fentes jusqu’au plateau de mesure. Il est plaqué contre le plateau par une lame circulaire et est positionné angulairement par son côté plat qui vient s’appuyer contre le rail dès l’insertion. Une lame ressort le maintient plaqué contre des goupilles disposées sur toute la circonférence du plateau ce qui permet de le centrer. Pour gagner de la place, un système de déplacement angle-rayon a été choisi. Le plateau effectue une rotation de 360° autour de son axe, ce qui permet à la tête de parcourir seulement la moitié du diamètre du wafer pour effectuer des tests sur toute la surface. La tête est fixée sur un chariot qui parcourt le rayon du wafer, et elle pivote autour de son axe pour aligner les pins et les pads. Les moteurs qui entraînent le plateau et la tête sont liés par un système maître-esclave afin de les synchroniser pour qu’ils aient toujours la même orientation angulaire. Le boitier complet est protégé par une couverture étanche fixée par aimantation. Une vitre sur le côté du boitier permet d’observer le fonctionner et autorise un accès facilité pour la maintenance.

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Tete multibroches Durée : 240 heures / 33 semaines Nombre de personnes : 2

DEMANDE Concevoir une tête de machine composée de plusieurs broches. Chacune de ces broches doit s’avancer en position de travail indépendamment des autres. L’actionnement en rotation ne doit pas être forcément indépendant. Les broches sont prévues pour usiner en fraisage et en perçage. Le tout doit tenir dans un diamètre d’encombrement d’environ 100mm.

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OBJECTIFS Un objectif de départ était d’intégrer le plus de broches possible dans l’encombrement à disposition. Suite à une analyse SWOT, nous avons décidé d’orienter notre recherche dans la direction d’un système polyvalent, c’est-à-dire prévu pour des séries petites à moyennes avec une grande flexibilité. Pour ce faire, un objectif essentiel est de rendre chaque broche entièrement indépendante des autres, en vitesse de rotation, en déplacement radial, et en réglage en hauteur.

CONCEPT Chaque broche est actionnée en rotation par son propre moteur. Elle est montée sur une glissière en queue d’aigle, sur le même principe qu’une tête à aléser dont nous nous sommes inspirés. Le réglage radial est un système angle-rayon, la broche entière peut pivoter dans le boiter pour le réglage en angle, elle est ensuite bloquée par une butée mécanique. Le réglage radial des broches se fait manuellement, alors que le réglage axial est automatique pour pouvoir percer et tarauder. Les réglages manuels sont d’abord effectués grossièrement à la main, puis un dispositif de réglage fin est intégré pour chaque coordonnée (angle et rayon).

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Structure de machine-outil 3 axes Durée : 80 heures / 15 semaines Nombre de personnes : 2

DEMANDE Développer une structure de machine 3 axes adaptée aux exigences de l’usinage d’une pièce prédéfinie. La zone d’usinage est définie par un cube de 80mm de côté. Toutes les structures des bâtis sont réalisées en fonderie, il faut donc le prendre en compte lors de la conception. La broche est fournie, les guidages sont des rails à recirculation d’éléments roulants, la transmission se fait par l’intermédiaire de vis à billes, et la durée des axes doit être au minimum de 15'000 heures. L’efficience énergétique étant un élément important de la conception d’une machine, il faut adapter la taille de la partie structurelle de la machine à la taille de la pièce. Pour avoir un gain énergétique significatif, il faut un ratio pièce/machine de 1/5 à 1/7.

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OBJECTIFS L’efficience énergétique étant au cœur du projet, nous nous sommes fixé comme objectif dès le début de faire rentrer la machine dans un ratio 1/5. Dans le même ordre d’idée d’obtenir une machine compacte, la taille de la boucle des efforts sera réduite au maximum et sa forme optimisée selon les règles de conception d’une machine. Les objectifs de ce projet sont également pédagogiques, il s’agit d’utiliser toutes les règles de conception apprises durant la formation (il s’agit d’un projet de troisième année). Les étapes de conception comprennent le dimensionnement des moteurs, des vis à billes, des guidages, l’étude de la chaîne cinématique et des rigidités, et la mise en œuvre des bâtis par fonderie. Une analyse des structures par éléments finis (MEF) est également réalisée.

CONCEPT La pièce que nous usinons avec cette machine est une prothèse fémoro-patellaire dans un alliage d’acier au cobalt, les caractéristiques importantes sont l’état de surface de la pièce et sa précision. L’architecture de base est une architecture sérielle qui nous permet d’obtenir une grande rigidité en dépit d’une moins bonne dynamique. Le bâti principal repose sur trois points pour garantir l’isostatisme. Les guidages utilisés sont des guidages en V qui permettent de gagner beaucoup de place par rapport aux guidages à rail/chariot. Nous avons également intégré un amortisseur de Frahm au bout de la vis à bille de l’axe Y pour pouvoir la fixer sur un seul palier. Au niveau thermique, la machine a été 16 conçue de manière à respecter une symétrique centrale pour évacuer la chaleur de manière plus homogène, les moteurs sont aussi placés en dehors des structures pour éviter les échauffement.


Travail de bachelor Durée : 450 heures / 20 semaines Nombre de personnes : 1

Projet de conception confidentiel mandaté par la société « The Swatch Group Research and Development Ltd, Division Asulab », dans le domaine des composants électroniques horlogers. Quatre demandes de dépôt de brevet sont actuellement en cours suite à ce projet.

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Book 2018  

A selection of projets realised during my 3 years of engineering school.

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