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Cours de conception mécanique : méthodes de

conception

Achraf Skander

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Objectifs du cours

Passer d’une ébauche de système mécanique à un système Mécanique dimensionné pour satisfaire les spécifications du Cahier des charges.

Pré requis : cours éléments de machines.

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Introduction

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Définition d’un système technique

Un système technique est un ensemble structuré de constituants et de composants dont le but est la réalisation de fonctions permettant de soulager l’homme dans son activité quotidienne (voiture, robot…).

C’est aussi un ensemble technique conçu pour répondre à un besoin, un cahier des charges. Il assure une fonction globale. Il agit sur des matières d’oeuvre pour les faire passer d’un état initial à un état final, créant ainsi une valeur ajoutée.

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Définition d’un système technique

Le souci de l’ingénieur doit être d’améliorer constamment les performances de ces systèmes en optimisant ses constituants et leurs architecture.

Système Technique

Matière d’œuvre d’entrée

Matière d’œuvre

d’entrée + Valeur ajoutée

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Exemple d’un système industriel :Store pour régler le niveau d’ensoleillement d’une terrasse

Le store mécanisé à manœuvre manuelle :

Le store s’enroule sur un tambour actionné par l’opérateur au moyen d’une manivelle et d’un réducteur.

L’effecteur est le dernier élément de la chaîne. Il agit sur la matière d’œuvre.

Représentation schématique

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Le store mécanisé à commande manuelle.

Représentation schématique

L’opérateur agit sur un bouton poussoir qui alimente Un moteur électrique.

Rq : le dispositif de manœuvre manuelle doit être conservé pour les éventuelles coupure de courant.

Le préactionneur distribue l’énergie en fonction d’une commande.

L’ actionneur transforme, adapte l’énergie pour que l’effecteur agisse.

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Le store automatisé

Le système précédent est complété d’un boîtier de commande, de capteurs de position du store et de capteurs d’environnement (anémomètre et cellules solaires)

si l’intensité de la lumière solaire mesurée par le capteur solaire est suffisamment forte, le store s’abaisse Automatiquement ou est déroulé par le tambour moteur.Si l’intensité du vent mesurée par l’anémomètre est à niveau très élevé, le store est remonté ou enroulé.

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Cycle de vie du produit : généralité

Méthodes

Conception

Recherche/Marketing

Maintenance

Fabrication

Vente

Planification

Achats

AssemblageProduit

Le produit conçu

Le produit spécifié

Le besoin

Le produit livré

Le produit réalisé

Le comment du produit

Flux d’informationFlux matière-produit

La productionL’ingénierie

Le marché, l’utilisation

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Importance de la phase de conception dans le cycle de vie du produit

La conception est une étape très importante pour la définition du produit. Vu les dépenses engagées durant la phase de conception ; plus de 70% du coût final du produit; optimiser la gestion de cette étape revient à réduire significativement le coût de production.

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Processus de conception (AFNOR, 2002)

« Le processus de conception définit pas à pas le produit qui doit répondre aux besoins et aux attentes, par des choix successifs portant sur des points de plus en plus détaillés. » AFNOR X50-170, 2002

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Processus de conceptionDans la majorité des cas, l’étude de conception

ne peut prétendre créer un objet technique entièrement nouveau. Elle ne vise qu’à apporter des modifications à des appareils ou des dispositifs qui existent déjà, ou à créer des appareils à partir de ceux qui sont bien connus et déjà réalisés. C’est pourquoi, à ce niveau, l’étude de conception ne doit intervenir qu’après l’étude d’observation correspondante d’appareils ou dispositifs en usage (étude bibliographique).

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Processus de conception

Niveaux de détail Le plus faible niveau de détail, ce sera

une demi page de texte; Les niveaux de détail les plus élevés

nécessiteront des graphismes techniques, du vocabulaire spécialisé, des codes spécifiques de nomenclatures d’achat, de stockage, etc.

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Modèle général de la conception

Analyse du

besoinAnalyse

Décomposition

Synthèse Intégration Evaluation

Adéquation de conception

Amélioration de conception

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Processus de conception d’un produit

Plusieurs approches de la conception sont présentées par les travaux de la communauté scientifique. Dans un premier temps, la conception été vue comme un processus systématique, c'est-à-dire que les étapes se succédaient sans préjuger du retour en arrière. Par la suite, on a pensé à créer un processus intégré qui permet une certaine simultanéité des étapes du processus de conception.

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Processus de conception d’un produit:1. Conception systématique

L'approche de conception systématique se base sur la méthode introduite par Pahl et Beitz. Cette approche divise le processus de conception en quatre niveaux d'évolution de détails :

Clarification du problème : élaboration et identification des spécifications,

Recherche du concept : spécification de la conception (détermination des exigences de conception à travers les fonctions et les sous-fonctions) et mobilisation de modèles conceptuels (sélection et évaluation),

Matérialisation du concept : identification des concepts, apparition de la géométrie du produit et préparation des premières ébauches des composants et documents de production,

Conception détaillée (appelée aussi detailed design) : finaliser les détails des concepts et géométries identifiés dans l’étape précédente.

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Processus de conception d’un produit:1. Conception systématique

Étape de recherche du concept (conceptual design) à :

Définir les spécifications, Déterminer la structure fonctionnelle, Trouver les principes de fonctionnement, Évaluer et choisir les concepts.

Étape de la conception de concrétisation (embodiment design) à :

Définir la taille, la forme, etc., Modéliser et analyser les ensembles, Optimiser les fonctions, Évaluer et choisir les tracés.

Étape de la conception des détails (detailed design) à :

Analyser en détail les composants, Choisir le mode de fabrication, Optimiser les performances et les coûts, Préparer les dessins détaillés.

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Processus de conception d’un produit:2. Conception intégrée

L'approche de conception intégrée consiste à prendre en considération un maximum de connaissances du cycle de vie du produit lors de sa conception, c'est-à-dire les fonctions, l’analyse, la fabrication, le démontage, le recyclage, etc. Cette approche permet la justification des choix de conception par des contraintes métier et non plus par des choix arbitraires ou liés à l'expérience du concepteur

Conceptual design

Embodiment design

Detailed design

t

a. Conception systématique

b. Conception intégrée et simultanée

Conception intégrée

Fabricatio

n

Autr

es

expe

rti

-ses

mét

ier

Recyclage

Assemblage

Définition du produit

Conceptual design

Embodiment design

Detailed design

Acteurs métier

Acteurs métier

Acteurs métier

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Processus de conception d’un produit:2. Intérêt de la conception intégrée

Les défauts ou les problèmes de qualité d'un produit sont le résultat de trois facteurs : mauvaise conception, mauvais matériaux et mauvais choix des procédés de fabrication. Les problèmes de conception les plus connus sont : fracture de pièces, vibration, pièces non alignées, manque de tolérance, beaucoup d'opérations de fabrication, difficultés de fabrication, difficultés d'assemblage, difficultés d'atteindre la qualité exigée, problème d'ergonomie, etc.

Nous prenons l’exemple du DFM : la conception pour la fabrication.

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Processus de conception d’un produit:2. Intérêt de la conception intégrée

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Théorie de la conception

Contexte de travail

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Motivations

Durée de vie courte des produits Produits complexes Qualité des produits Évolution technologique Compétitivité mondiale Marchés instables et incertains Coopération, partenariat, …

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Conception mécanique :en bref

De l’expression du besoin à la recherche desolutions Concevoir pour éviter les défaillances Liaisons pivots et glissières Encastrements Choix de matériaux Conception de bâtis et de carters Dimensionnement des pièces mécaniques :calculs par éléments finis

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Activité de conception Étape décisive dans le cycle de vie d’un

produit Activité intellectuelle et cognitive très

complexe Activité individuelle/collective Processus de création et de définition

d’une ou plusieurs descriptions d’un produit : répondre aux besoins et satisfaire les contraintes

Domaines : d’une centrale nucléaire à un simple composant électronique

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La conception: pourquoi une activité

CONCEVOIRDemande, Besoin ? Données

techniques

Objectifs Contraintes

Acteurs del’ingénierie

Ressourcesmatérielles et

informationnelles

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Typologie des problèmes de conception

Conception

Conception prédéfinie Conception nouvelle

Conception innovanteConception créative

Produit decomplémentde gamme

Produit deremplacement

Produitnouveau pour

l’entreprise

Produitnouveau sur

le marché

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Phases/Typologie de conception

mécanique optique Hydraulique…

décompositionfonctionnelle

choix d’unprincipe

technique

choix etdimensionnementdes composants

Produit

Conceptionroutinière

Spécifications

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Conception nouvelle Conception nouvelle

Connaissances à créer Démarche de conception à définir Nouveaux éléments de solution ou nouvelles

technologie

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Conception prédéfinie Conception prédéfinie

Connaissances disponibles Démarche de conception connue Choix parmi des éléments de solutions

existants

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Principales étapes d’un projet (création d’un produit)

État de l’art.Besoin identifié

Définition du besoin- faisabilité

- spécification des tâches

Conceptualisation- Analyse fonctionnelle- Exigences/contraintes- Synthèse préliminaire

Avant projet- Optimisation (analyse

val..)- Synthèse (cdcf)

- Spécifications du produit

Phase initiale

Phase créativeVoies de solutions

PrédéveloppementÉtude des meilleures

voies de solutions

Projet - Études détaillées

- Essais, prototypes- Rapports, plans

Production - Études process, méthode

- Assurance qualité- Fabrication, assemblage

- contrôle

Conditionnement, stockage, transport

Distribution, mise en service

Utilisation, maintenance

DéveloppementÉtude approfondie

de la solution choisie

IndustrialisationFabrication de la solution choisie

Logistique

Vente

Après-vente

Cahier des charges

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Cycle de vie du produit : méthode

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1. Définition du cahier des charges

Explicitations du besoin Définition des

objectifs du projet Identification de la

cible de marché Définition des

objectifs de vente Identification des

contraintes clés

Donc le CDC Spécifie:fonctions, performances,caractéristiqueset limites,contraintes:pour accomplir les fonctionsEt pour atteindre les performances

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2. Définition des principes Développement des concepts

Génération de concepts différents Sélection d’un ou plusieurs concepts Concept de solution : description de la

forme, de la fonction et des caractéristiques d’un produit auquel s’ajoute généralement un ensemble de spécifications, une analyse de la concurrence et des éléments de validation économique du projet.

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3. Conception d’ensemble Dessin d’ensemble du produit

Définition de l’architecture du produit Décomposition en sous-systèmes et

composants Élément de définition du processus

d’assemblage final et du système de production Données de sortie

Géométrie générale du produit Spécifications fonctionnelles pour chaque sous-

système

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4. Conception détaillée Dessin de définition des pièces

Spécification complète des matériaux, de la géométrie et des tolérances des pièces spécifiques

Définition des pièces standards et de leurs fournisseurs

Définition des outillages et du processus de fabrication de chaque pièce

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5. Prototypage et qualification

Conception du prototype Physique (échelle), numérique Validation des performances du

produit et des moyens de production Qualification normative

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6. Démarrage de production

Activités principales Formation des opérateurs Rodage des procédés Réglage final du procédé

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Théorie de la conception

La résolution de problèmes n’est pas une démarche aléatoire livrée au bon vouloir de «

l’intuition » ou « de l’inspiration ». Bien au contraire, pour résoudre des problèmes,il

faut procéder méthodiquement et rigoureusement.

Le problème de conception

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Démarche de résolution de problèmes

Reconnaître le problème. Perception d’un besoin à satisfaire Définition du problème et identification des spécifications

et contraintes.Défini dans le cahier des charges Recherche de variantes de solution.Processus de synthèse Choix de la meilleure variante.Processus d’analyse Réalisation de la variante choisie.Concrétiser la solution choisie Évaluation du « résultat ».S’assurer que la solution concrète remplit toujours bien les

conditions définies au départ et résout le problème

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Problématique de conception

Processus itératif à la fois d’analyse et de synthèse pour arriver à la création d’un produit dont les performances sont spécifiées et peuvent être prédites au moyen d’outils scientifiques.

Conception scientifique

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Point de départ: cahier des charges

le CDC Spécifie:fonctions, performances,caractéristiqueset limites,contraintes:pour accomplir les fonctionsEt pour atteindre les performances

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Synthèse

Il s’agit ici d’une opération de synthèse ou en d’autres termes d’un problème inverse. C’est ici que l’ingénieur doit faire preuve de créativité! Pour s’inspirer, il pourra s’appuyer sur des solutions existantes à des problèmes semblables, il pourra faire des analogies avec d’autres systèmes, et il fera appel à son expérience. En d’autres termes, il pourra « s’inspirer d’une certaine base de données technologiques qui forme sa « culture d’ingénieur ». Un des objectifs de l’enseignement de la conception est de donner aux ingénieurs cette base de données technologiques, cette culture d’ingénieur.

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Analyse

Dans l’analyse, on part d’un système existant bien défini, dans l’exemple ci-dessus une machine outil, pour en créer un modèle qui décrira ses caractéristiques et son comportement. Il s’agit ici du problème direct, dont la solution est unique.Le modèle peut avoir une complexité plus ou moins grande mais il conduit finalement à uneformulation mathématique. On vérifie la validité du modèle en comparant ses prédictions avec des résultats expérimentaux indépendants. S’il s’avère correct le modèle peut alors être utilisé pour prédire le comportement et les performances d’autres systèmes réels.

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Conception scientifique

L’analyse consiste à créer, construire des outils qui permettent la compréhension d’une chose existante ou de son comportement.

La synthèse consiste à créer, construire une chose à partir d’outils, de règles et d’éléments existants portés à jour par l’analyse.