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Prototype : assembler, fabriquer et choisir parmi des solutions
Prototype, maquette et objet de série ; améliorer un objet existant avec un critère vérifiable ; choisir un matériau et une source d’énergie parmi ceux proposés ; assembler les constituants fournis (nomenclature, assemblages fixes et démontables, plaque d’essai) ; réaliser une forme selon une procédure (découpe laser, imprimante 3D, thermopliage) et la contrôler au pied à coulisse.
À propos de cette page
Le prototype : améliorer un objet existant
Avant de fabriquer un objet à des milliers d’exemplaires, on en construit un premier pour vérifier qu’il fonctionne et pour le corriger : c’est le prototype. En 5e, on part le plus souvent d’un objet qui existe déjà, et l’on fabrique une solution pour l’améliorer.
• Une maquette représente l’objet en trois dimensions, le plus souvent à échelle réduite mais fidèle dans ses proportions : elle montre la forme et l’aspect, elle ne fonctionne pas forcément.
• Un objet de série est fabriqué en grand nombre d’exemplaires identiques, par des moyens industriels, une fois le prototype validé.
• Un prototype réunit des constituants (pièces, moteur, capteur, carte…), leur assemblage et, s’il le faut, un programme.
• Pour améliorer un objet existant, on suit une démarche : 1. observer l’objet en usage et repérer le problème ; 2. dire ce que l’amélioration doit permettre, avec un critère que l’on pourra vérifier ; 3. imaginer plusieurs solutions (on les dessine en croquis) ; 4. choisir parmi les solutions proposées (matériau, source d’énergie, constituants) ; 5. fabriquer et assembler le prototype ; 6. le tester et comparer le résultat au critère. Si le critère n’est pas atteint, on revient aux solutions et on améliore.
Un bon critère se vérifie
« Le pot est mieux » ou « le support est plus joli » ne se vérifient pas : chacun a son avis. « Le pot ne bascule pas quand on retire le dernier crayon » se vérifie par un essai, et tout le monde obtient le même résultat. Un critère peut aussi être chiffré : « la lampe éclaire encore après 2 h », « l’étagère porte 3 kg ».
Le pot à crayons qui se renverse. Problème : haut et étroit, il bascule quand on tire un crayon. Critère : il ne doit pas basculer quand on retire un crayon, même s’il n’en reste qu’un. Solutions imaginées : élargir la base, alourdir le fond, le coller au bureau. Choix : la base élargie, imprimée en 3D : le pot reste mobile, et l’on ne colle rien sur le bureau. Test du prototype avec un seul crayon : il ne bascule plus, le critère est atteint.
Maquette, prototype ou série ? Un architecte présente un futur gymnase en carton à l’échelle 1/100 : c’est une maquette, elle ne sert qu’à montrer le bâtiment. Des testeurs roulent 500 km avec le premier exemplaire d’un nouveau vélo cargo pour vérifier ses freins : c’est un prototype. Les 3 000 vélos cargos identiques vendus ensuite sont des objets de série.
Réflexe — pour améliorer un objet, je pars du problème observé, je fixe un critère que je pourrai vérifier par un essai, puis je compare plusieurs solutions avant d’en fabriquer une.
Attention — un prototype n’est pas une maquette : il doit fonctionner, puisqu’on le fabrique pour le tester. Et une amélioration se juge avec le critère fixé au départ, pas à l’impression qu’elle « a l’air mieux ».
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Choisir un matériau parmi ceux proposés
Le chapitre « Matériaux » a montré comment choisir un matériau d’après ses propriétés : contrainte → propriété → matériau. Pour un prototype, deux questions s’ajoutent : le matériau est-il proposé au collège, et la machine prévue peut-elle le mettre en forme ?
• La forme de la pièce désigne la machine, et la machine désigne les matériaux possibles : une pièce plate, découpée dans une plaque → découpe laser ; une pièce en volume (embout, bouton arrondi, crochet) → imprimante 3D ; une coque mince et creuse → thermoformage d’une feuille de plastique.
• Sécurité : on ne découpe jamais de PVC au laser ; en chauffant, il dégage du chlorure d’hydrogène, un gaz toxique et corrosif qui abîme aussi la machine. Un matériau dont on ne connaît pas la composition ne passe pas au laser.
• Environnement : le contreplaqué, le MDF et le carton sont faits de bois, une ressource renouvelable ; le PLA est fabriqué à partir de plantes (amidon de maïs), mais il ne se dégrade ni dans la nature ni dans un composteur de jardin : seulement en compostage industriel.
Les matériaux souvent proposés au collège
| Matériau proposé | Il se présente en… | Machine du collège | Ce qu’il apporte | À savoir |
|---|---|---|---|---|
| contreplaqué de peuplier (3 mm) | plaque | découpe laser | léger, rigide ; bois, ressource renouvelable | prévu pour l’intérieur : craint l’humidité |
| MDF (3 mm), fibres de bois collées | plaque | découpe laser | surface lisse, facile à peindre | gonfle à l’eau |
| PMMA ou plexiglas (3 mm) | plaque | découpe laser, thermoplieuse | transparent, ne craint pas l’eau | se brise sous un choc violent |
| carton épais | plaque | découpe laser | très léger, peu cher : essais rapides | peu solide, ramollit à l’eau |
| PLA | bobine de fil | imprimante 3D | toutes les formes en volume ; fabriqué à partir de plantes | ramollit vers 60 °C |
| polystyrène choc | feuille mince | thermoformeuse | se moule facilement en coque | — |
| PVC | plaque | jamais au laser ; thermoplieuse possible | rigide, ne craint pas l’eau | au laser, dégage un gaz toxique |
Le couvercle d’une boîte à bijoux. Contraintes : laisser voir les bijoux ; pièce plate, découpée au laser. Proposés : contreplaqué, PMMA transparent, PVC transparent, carton. J’élimine le contreplaqué et le carton (opaques) et le PVC (interdit au laser). Je choisis le PMMA, parce qu’il est transparent et se découpe au laser.
Le crochet d’un casque audio. Il s’accroche sous un bureau et a une forme courbe, en volume : la découpe laser ne donne que des pièces plates. Parmi les matériaux proposés, seul le fil de PLA passe dans l’imprimante 3D.
Comparer ceux qui restent. Pour les côtés opaques d’un boîtier qui restera dans une chambre, le contreplaqué et le MDF conviennent tous les deux. Le boîtier sera peint : je choisis le MDF, à la surface lisse, facile à peindre.
Réflexe — forme de la pièce → machine → matériaux possibles ; puis contraintes → élimination → comparaison → « je choisis… parce que… ».
Attention — « transparent » ne suffit pas : le PVC transparent est interdit à la découpe laser. Et le PLA, fabriqué à partir de plantes, n’est pas pour autant « biodégradable dans la nature ».
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Choisir une source d’énergie et une forme d’énergie
Rappels : en 6e, on a distingué les ressources renouvelables (Soleil, vent, eau, bois) et non renouvelables ; dans le chapitre « Chaîne d’énergie », la source d’énergie réalise la fonction alimenter. Pour un prototype, on choisit cette source parmi celles qui sont proposées.
• On regarde ensuite les conditions d’usage : l’objet doit-il être sans fil ou loin d’une prise ? fonctionner la nuit ou à l’intérieur ? longtemps et souvent ? Peut-on le recharger ? Faut-il éviter les déchets ?
• On élimine les sources qui ne répondent pas à une condition, puis on préfère, parmi celles qui restent, la moins polluante : ressource renouvelable, pas de piles jetées.
• Sécurité : au collège, les élèves travaillent en très basse tension (piles, batterie, adaptateur qui abaisse la tension) ; on ne branche jamais un prototype directement sur le 230 V d’une prise.
Les sources d’énergie souvent proposées
| Source proposée | Énergie reçue ou stockée | Avantages | Inconvénients |
|---|---|---|---|
| pile | énergie chimique stockée | objet sans fil, prêt tout de suite | s’use, se remplace ; usagée, elle se rapporte dans un point de collecte |
| batterie rechargeable (accumulateur) | énergie chimique stockée | objet sans fil ; se recharge de nombreuses fois | il faut la recharger régulièrement |
| adaptateur branché sur une prise | énergie électrique du réseau, abaissée en très basse tension | jamais à recharger ni à remplacer | l’objet reste relié par un fil près d’une prise |
| panneau solaire (photovoltaïque) | reçoit l’énergie lumineuse | ressource renouvelable et gratuite | rien la nuit ou à l’ombre : on l’associe à une batterie chargée le jour |
| génératrice à manivelle | reçoit l’énergie cinétique de la main | fonctionne n’importe où, sans pile ni soleil | il faut tourner : de l’énergie seulement pendant l’effort, sauf si elle charge une batterie |
Le robot suiveur de ligne de la classe. Il roule sur une piste : il doit être sans fil (pas d’adaptateur), et il roule dans la salle, souvent à l’ombre (pas de panneau seul). Il sert chaque semaine pendant des heures : des piles s’useraient vite. Je choisis une batterie rechargeable.
La station météo au fond d’un verger. Elle mesure jour et nuit, loin de toute prise, et personne ne passe changer des piles. Je choisis un panneau solaire et une batterie : le panneau recharge la batterie le jour, la batterie alimente la station la nuit.
La forme d’énergie. Un prototype de chauffe-tasse doit produire de l’énergie thermique : une résistance chauffante convertit l’énergie électrique en énergie thermique. Posé sur un bureau, près d’un ordinateur, il peut être alimenté par un adaptateur ou un port USB.
Réflexe — je note la forme d’énergie à produire, je liste les conditions d’usage (où, quand, combien de temps, avec ou sans fil), j’élimine les sources qui n’y répondent pas, puis je préfère la moins polluante.
Attention — un panneau solaire seul ne fonctionne pas la nuit. Et une batterie n’est pas « verte » en elle-même : elle rend l’énergie qu’on lui a donnée en la rechargeant (rappel de 6e : l’électricité n’est ni renouvelable ni non renouvelable, tout dépend de la ressource qui la produit).
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Assembler les constituants fournis
En 5e, les constituants du prototype sont fournis : pièces déjà fabriquées, visserie, moteur, carte, capteurs, fils… Les assembler, c’est les relier entre eux, mécaniquement et électriquement, en suivant un document.
• Un assemblage fixe (ou permanent) ne peut pas être défait sans abîmer une pièce : collage, soudage, rivetage. Un assemblage démontable se défait sans rien abîmer : vissage, vis et écrou, clips, emboîtement.
• On choisit un assemblage démontable pour tout ce qu’il faudra ouvrir : changer les piles, régler, réparer ou remplacer un constituant.
• Rappel des chapitres « Chaîne d’énergie » et « Chaîne d’information » : pile ou batterie (alimenter), interrupteur ou relais (distribuer), moteur (convertir), engrenages, courroie ou chaîne (transmettre) ; capteurs, carte à microcontrôleur, boutons et afficheurs.
• Prototypage électronique : sur une plaque d’essai, on enfiche les composants et les fils sans soudure. Dans la zone centrale, les cinq trous d’une même colonne numérotée (de a à e, ou de f à j) sont reliés entre eux par une lame de métal cachée ; la rainure centrale sépare les deux groupes. Les lignes le long des bords (+ et −) amènent l’alimentation.
• Ordre de travail : je monte la mécanique, puis je câble hors tension ; je vérifie le sens des piles et des composants, puis seulement je mets sous tension et j’essaie.
La plaque d’essai
Sur la figure, les trous a4, b4, c4, d4 et e4 sont reliés (bande bleue) ; f4, g4, h4, i4 et j4 forment un autre groupe (bande rouge). b4 et b5 ne sont pas reliés : ils ne sont pas dans la même colonne.
Une nomenclature : le présentoir tournant
| Repère | Nombre | Désignation | Remarque |
|---|---|---|---|
| 1 | 1 | plateau rond | PMMA 3 mm, emboîté sur l’axe |
| 2 | 4 | côtés du socle | contreplaqué 3 mm, emboîtés et collés |
| 3 | 1 | dessus du socle | contreplaqué 3 mm |
| 4 | 1 | motoréducteur (moteur et engrenages) | fixé sous le dessus |
| 5 | 2 | vis M3 | acier |
| 6 | 2 | écrous M3 | acier |
| 7 | 1 | boîtier de 2 piles avec interrupteur | couvercle à vis |
| 8 | 2 | fils de liaison | — |
Vérifier les constituants. La nomenclature du présentoir annonce 1 + 4 + 1 + 1 + 2 + 2 + 1 + 2 = 14 constituants : je les compte sur la table avant de commencer.
Fixe ou démontable ? Les côtés du socle (repère 2), emboîtés puis collés, forment un assemblage fixe. Le motoréducteur est tenu par deux vis et deux écrous : assemblage démontable, on pourra changer le moteur s’il tombe en panne. Le plateau, simplement emboîté sur l’axe, se retire aussi sans rien abîmer.
Sur la plaque d’essai. Une patte d’un composant est en c7 : un fil enfiché en a7, b7, d7 ou e7 lui est relié ; un fil en h7, de l’autre côté de la rainure, ne l’est pas.
Réflexe — je compte les constituants avec la nomenclature, je suis l’ordre de la notice, et je choisis un assemblage démontable pour tout ce qu’il faudra ouvrir.
Attention — sur une plaque d’essai, les deux pattes d’un même composant ne vont jamais dans la même colonne de cinq trous : elles seraient reliées entre elles par la plaque, et le courant passerait par la plaque au lieu de traverser le composant. Et on câble toujours hors tension.
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Réaliser une forme selon une procédure fournie
Au collège, les pièces du prototype sont fabriquées dans un atelier de fabrication (le Fablab) avec des machines pilotées par ordinateur. En 5e, on les met en œuvre en suivant une procédure fournie : les étapes, les réglages et les règles de sécurité sont déjà écrits. Les machines du Fablab et les trois familles de procédés ont été présentées dans le chapitre « Réparer » : on les rappelle ici, pour fabriquer les pièces du prototype.
• La chaîne numérique : 1. le dessin ou le modèle 3D est fait sur ordinateur ; 2. il est enregistré dans un fichier que la machine sait lire (dessin vectoriel SVG ou DXF pour la découpe laser ; modèle 3D STL pour l’imprimante, préparé par un logiciel trancheur qui le découpe en couches et écrit les instructions de la machine) ; 3. la machine à commande numérique fabrique la pièce ; 4. on contrôle la pièce.
• Découpe laser : un faisceau très concentré brûle ou vaporise la matière le long du trait ; elle découpe ou grave des plaques. Imprimante 3D (dépôt de fil fondu) : la buse fond le fil de PLA, vers 200 °C, et le dépose couche par couche ; nombre de couches = hauteur de la pièce ÷ épaisseur d’une couche (souvent 0,2 mm).
• Thermopliage : un fil chaud ramollit une plaque de plastique le long d’une ligne, puis on la plie. Thermoformage : on chauffe une feuille de plastique jusqu’à ce qu’elle ramollisse, puis on la plaque sur un moule, souvent par aspiration.
• Suivre la procédure : les étapes dans l’ordre, les réglages donnés sans les changer, et les règles de la machine : découpe laser jamais sans surveillance, capot fermé, aspiration des fumées en marche ; imprimante 3D et thermoplieuse : ne pas toucher la buse, le plateau ou le fil chauds.
• Contrôler avec un instrument de mesure : le réglet mesure au millimètre ; le pied à coulisse mesure au dixième de millimètre. On compare la mesure à la cote du dessin.
Les machines de l’atelier
| Machine | Procédé | Matière de départ | Fichier | Forme obtenue |
|---|---|---|---|---|
| découpe laser | enlèvement de matière | plaque (bois, carton, PMMA) | dessin vectoriel (SVG, DXF) | pièce plate découpée ou gravée |
| fraiseuse à commande numérique | enlèvement de matière | bloc ou plaque | instructions de la machine | pièce taillée par une fraise |
| imprimante 3D | ajout de matière | bobine de fil de PLA | modèle 3D (STL), préparé par un trancheur | pièce en volume, même creuse |
| thermoplieuse | mise en forme | plaque de plastique | — | pièce pliée |
| thermoformeuse | mise en forme | feuille de plastique | — | coque moulée |
Lire un pied à coulisse au dixième
1. Je lis les millimètres entiers sur la règle, juste avant le zéro du vernier. 2. Je cherche le trait du vernier qui coïncide avec un trait de la règle : son numéro donne les dixièmes. Ci-dessous, le zéro du vernier est juste après 23 mm et le trait 7 coïncide : la mesure est 23,7 mm.
Quelle machine ? Un jeton de vestiaire en contreplaqué, gravé d’un numéro : pièce plate → découpe laser (enlèvement de matière). Un embout arrondi pour le pied d’un tabouret : pièce en volume → imprimante 3D (ajout de matière). Un présentoir en PMMA en forme de L : un pli → thermoplieuse (mise en forme).
Compter les couches. Une pièce de 30 mm de haut, imprimée en couches de 0,2 mm : 30 ÷ 0,2 = 150 couches. Si chaque couche demande 40 s : 150 × 40 = 6 000 s, soit 100 min = 1 h 40 min.
Contrôler une cote. Le dessin d’une cale indique 24 mm ; au pied à coulisse, on lit 23,7 mm : il manque 24 − 23,7 = 0,3 mm.
Réflexe — pièce plate dans une plaque → découpe laser ; pièce en volume → imprimante 3D ; pli dans une plaque de plastique → thermoplieuse. Je suis la procédure étape par étape, puis je mesure et je compare à la cote.
Attention — la découpe laser est moderne, mais son procédé reste l’enlèvement de matière : elle retire la matière le long du trait. Au pied à coulisse, les dixièmes sont le numéro du trait du vernier qui coïncide, pas la graduation de la règle sous ce trait.
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Pour aller plus loin
Les matériaux en détail. Familles, propriétés, recyclage, et le choix « contrainte → propriété → matériau » : voir « Matériaux : les grandes familles et leurs propriétés ».
Les sources et les formes d’énergie. Les fonctions alimenter, distribuer, convertir et transmettre, et les conversions des constituants : voir « Chaîne d’énergie : formes d’énergie et constituants » ; les capteurs, la carte et les boutons : « Chaîne d’information : capteurs, microcontrôleur et boutons ». Ressources renouvelables ou non : « Énergie : formes, conversions et ressources » (6e).
Le projet et son planning. Les étapes d’un projet, les tâches et leurs durées, la revue de projet : voir « Projet : suivre les étapes et le planning ».
Tester le prototype. Flexion, torsion, simulation de la tenue d’une pièce et vérification d’une performance avec un protocole : voir « Tester : solidité d’une structure et performances ».
L’atelier. Les équipements de protection individuelle, l’outillage à main et la réparation d’un objet en suivant un protocole : voir « Réparer : repérer la pièce défectueuse et suivre un protocole ».
En 4e et en 3e. On proposera soi-même une solution pour ajouter une fonction à un objet, on modifiera une forme à l’aide d’une modélisation, puis on choisira seul les procédés, les matériaux, la source d’énergie et les constituants d’un nouvel objet.
- Un prototype est le premier exemplaire d’un objet, qui fonctionne, construit pour être testé et amélioré avant la série ; une maquette montre seulement la forme.
- Améliorer un objet : problème → critère vérifiable → solutions → choix → fabrication et assemblage → test ; si le critère n’est pas atteint, on améliore.
- Choisir un matériau proposé : forme de la pièce → machine → matériaux possibles, puis élimination par les contraintes ; jamais de PVC à la découpe laser.
- Choisir une source d’énergie : forme d’énergie à produire, conditions d’usage (sans fil, nuit, durée, recharge), élimination, puis la moins polluante.
- Assemblage fixe (collage, soudage, rivetage) ou démontable (vis, vis et écrou, clips, emboîtement) ; plaque d’essai : cinq trous reliés par colonne, de chaque côté de la rainure.
- Enlèvement de matière (découpe laser, fraiseuse), ajout (imprimante 3D), mise en forme (thermopliage, thermoformage) ; on suit la procédure, puis on mesure.
Questions fréquentes
Quelle est la différence entre un prototype et une maquette ?
Le prototype est le premier exemplaire d’un objet, qui fonctionne : on le construit pour le tester et l’améliorer avant la fabrication en série. La maquette représente l’objet, souvent à échelle réduite : elle montre sa forme et son aspect, sans forcément fonctionner.
Comment choisir un matériau pour un prototype au collège ?
On part de la forme de la pièce : plate → découpe laser (contreplaqué, MDF, PMMA, carton) ; en volume → imprimante 3D (fil de PLA) ; coque → thermoformage. Puis on élimine les matériaux qui ne respectent pas une contrainte et on justifie : « je choisis… parce que… ». Jamais de PVC à la découpe laser : il dégage un gaz toxique.
Comment choisir la source d’énergie d’un prototype ?
On note la forme d’énergie à produire (lumière, mouvement, chaleur), puis les conditions d’usage : sans fil, la nuit, longtemps, avec ou sans recharge. On élimine les sources qui ne conviennent pas (un panneau solaire seul ne marche pas la nuit, un adaptateur demande une prise), puis on préfère la moins polluante.
Quelle est la différence entre un assemblage fixe et un assemblage démontable ?
Un assemblage fixe (collage, soudage, rivetage) ne se défait pas sans abîmer une pièce. Un assemblage démontable (vis, vis et écrou, clips, emboîtement) se défait sans rien abîmer : on le choisit pour tout ce qu’il faudra ouvrir, comme un boîtier de piles.
Comment savoir si une découpe laser ou une imprimante 3D enlève ou ajoute de la matière ?
La découpe laser part d’une plaque et retire la matière le long du trait : enlèvement de matière. L’imprimante 3D dépose le fil fondu couche par couche : ajout de matière. Le nombre de couches vaut la hauteur de la pièce divisée par l’épaisseur d’une couche, par exemple 30 ÷ 0,2 = 150.
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