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
Cinq problèmes, du plus simple au plus complet : le range-câbles imprimé en 3D, la boîte aux lettres éclairée au solaire, les pions du club jeux, les plaques de porte gravées au laser et la boîte à clés lumineuse avec sa nomenclature.
5 problèmes, du plus simple au plus difficile. Écris tes réponses, puis « Vérifier ».
Résoudre un problème : la méthode
Je lis tout l’énoncé et je souligne le problème, les contraintes et ce qui est proposé.
Je choisis en éliminant : forme de la pièce → machine → matériau ; conditions d’usage → source d’énergie.
Je compte les constituants avec la nomenclature et je classe chaque assemblage : fixe ou démontable.
Je calcule avec les données de la procédure (couches, durées, prix) et j’écris l’unité.
Je justifie chaque réponse avec le mot exact du cours : « je choisis… parce que… ».
Problème 1 · Le range-câbles de Yanis★★★Facile
Les trois câbles de chargeur de Yanis glissent sans cesse derrière son bureau dès qu’il débranche son téléphone. Il veut fabriquer un range-câbles à fixer au bord du bureau, avec trois encoches arrondies qui retiennent les câbles. Le professeur propose : une plaque de contreplaqué 3 mm, une plaque de PVC 3 mm et une bobine de fil de PLA.
1. Critère vérifiable : quand Yanis débranche ses trois chargeurs, combien de câbles doivent rester dans les encoches ?
Les trois câbles : le critère se vérifie par un essai.
2. Le range-câbles a une forme en volume. Quelle machine utiliser ?
Forme en volume : imprimante 3D.
3. Parmi les matériaux proposés, lequel convient à cette machine ?
Seul le fil de PLA passe dans l’imprimante 3D.
4. La pièce mesure 16 mm de haut, imprimée en couches de 0,2 mm. Nombre de couches :
16 ÷ 0,2 = 80 couches.
5. Fixé au bureau par deux vis, le range-câbles forme un assemblage .
Les vis se retirent : démontable.
Problème 2 · La boîte aux lettres éclairée★★★Facile
La boîte aux lettres de la famille Morel est au bord de la route, à 30 m de la maison et de toute prise. On veut que son numéro soit éclairé chaque nuit. Le professeur propose : des piles, un adaptateur sur une prise, une génératrice à manivelle, un panneau solaire et une batterie.
1. Forme d’énergie que la lampe doit produire :
Elle éclaire : énergie lumineuse.
2. L’adaptateur ne convient pas : la boîte est trop de toute prise.
Elle est trop loin : il faudrait 30 m de fil.
3. La manivelle ne convient pas : il faudrait que quelqu’un la toute la nuit.
Elle ne produit de l’énergie que pendant qu’on la tourne.
4. Avec des piles, un jeu dure 3 semaines. Nombre minimal de jeux de piles pour un an (52 semaines) :
52 ÷ 3 ≈ 17,3 : 17 jeux ne suffisent pas, il en faut 18.
5. Source choisie :
Le panneau solaire et la batterie : loin de toute prise, pas de piles jetées, ressource renouvelable.
6. Le panneau recharge la batterie pendant le , et la batterie alimente la lampe la nuit.
Pendant le jour.
Problème 3 · Les pions du club jeux★★★Moyen
Le club jeux du collège imprime en 3D 12 pions identiques en PLA. Un pion mesure 27 mm de haut ; la procédure fixe des couches de 0,3 mm et chaque couche demande 25 s. Un pion pèse 6 g ; une bobine de 1 kg de PLA coûte 22 €.
1. Procédé de l’imprimante 3D : de matière
Elle dépose la matière couche par couche : ajout.
2. Avant le trancheur, le modèle 3D du pion est enregistré dans un fichier d’extension .
Un fichier STL.
3. Nombre de couches d’un pion :
27 ÷ 0,3 = 90 couches.
4. Durée d’impression d’un pion : min
90 × 25 = 2 250 s ; 2 250 ÷ 60 = 37,5 min.
5. Masse de PLA pour les 12 pions : g
12 × 6 = 72 g.
6. Prix de la matière des 12 pions, au centime : €
22 × 72 ÷ 1 000 = 1,584, soit 1,58 €.
Problème 4 · Les plaques de porte gravées★★★Moyen
Pour la fête du collège, des élèves découpent au laser des plaques de porte de 150 mm sur 80 mm dans une plaque de contreplaqué de 600 mm sur 400 mm, les côtés de 150 mm le long du côté de 600 mm. La procédure donne : découpe du contour à 10 mm par seconde, puis gravure du prénom en 2 min.
1. Procédé de la découpe laser : de matière
Elle retire la matière le long du trait : enlèvement.
2. Nombre de plaques de porte entières dans la grande plaque :
600 ÷ 150 = 4 et 400 ÷ 80 = 5 ; 4 × 5 = 20.
3. Longueur du contour d’une plaque de porte : mm
2 × (150 + 80) = 460 mm.
4. Durée de la découpe du contour : s
460 ÷ 10 = 46 s.
5. Durée totale pour une plaque de porte, découpe et gravure : s
2 min = 120 s ; 46 + 120 = 166 s.
6. Pendant toute la découpe, on ne laisse jamais la machine sans .
Le bois peut s’enflammer : jamais sans surveillance.
Problème 5 · La boîte à clés lumineuse★★★Difficile
Le soir, dans l’entrée sombre d’un appartement, on ne trouve pas ses clés. Des élèves améliorent une boîte à clés murale : une DEL s’allume quand un détecteur repère une personne. Voici la nomenclature des constituants fournis.
Repère
Nombre
Désignation
Remarque
1
4
côtés du boîtier
contreplaqué, emboîtés et collés
2
1
fond
contreplaqué
3
1
porte
PMMA transparent
4
1
charnière
acier
5
4
vis de la charnière
acier
6
2
crochets
PLA
7
1
DEL
—
8
1
détecteur de présence
—
9
1
carte à microcontrôleur
—
10
1
boîtier de piles
couvercle vissé
11
3
piles
—
1. Nombre total de constituants à compter avant de commencer :
4 + 1 + 1 + 1 + 4 + 2 + 1 + 1 + 1 + 1 + 3 = 20.
2. Les côtés (repère 1) forment un assemblage .
Emboîtés puis collés : fixe.
3. La porte, tenue par une charnière vissée, forme un assemblage .
Les vis se retirent : démontable.
4. Le boîtier de piles a un couvercle vissé : il faudra pouvoir les piles.
Pour changer les piles usées.
5. La prise la plus proche est à 4 m et l’on ne veut pas de fil sur le mur. Entre les piles et un adaptateur, quelle source choisir ?
Pas de fil le long du mur : les piles.
6. Sur la plaque d’essai du prototype, une patte de la DEL est en e3. Dans quelle rangée de la colonne 3 enficher l’autre patte pour qu’elles ne soient pas reliées : a, c ou g ?
a3 et c3 sont dans le même groupe que e3 (a à e) ; g3 est de l’autre côté de la rainure : les pattes ne sont pas reliées par la plaque.
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