Séq. 9 : Structuration

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49S

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La séquence a été recomposée : deux séquences auparavant distinctes ont été réunies en une seule. Le déroulement, le minutage et l'évaluation qui font foi sont ceux de la. Cette page décrit encore l'organisation antérieure et sera reprise.

1 : Du besoin au cahier des charges fonctionnel

Un projet technique part toujours d'un besoin réel : quelque chose manque, ou quelqu'un doit être prévenu à temps. Le cahier des charges fonctionnel, abrégé CdCF, est le document qui écrit ce besoin de manière vérifiable. Il contient trois éléments. La fonction principale dit le service rendu : ce que l'objet doit faire. Les fonctions de contrainte disent les limites à respecter : dimensions, matériaux, conditions d'usage, quota de matière. Les critères d'appréciation disent comment on mesurera que le besoin est satisfait.

Règle centrale, à retenir avant toutes les autres : le cahier des charges dit ce que l'objet doit faire, il ne dit pas comment le fabriquer. « Prévenir par un son quand l'eau approche du bord » est un besoin. « Coller un capteur ultrason sur une planche » est une solution : cela n'a pas sa place dans le cahier des charges.

Deuxième règle : chaque contrainte porte une valeur que l'on peut mesurer, avec son unité. Une contrainte sans valeur ne peut pas être vérifiée à la fin, donc elle ne sert à rien.
Troisième règle, apprise à nos dépens : la valeur doit aussi pouvoir être mesurée dans le temps dont on dispose. Une autonomie de quatre heures est une valeur chiffrée, mais elle ne se vérifie pas pendant une séance de 90 minutes. C'est en séance 5, quand on reprend le cahier des charges pour valider le prototype, que l'on découvre si les critères étaient bien écrits.

2, Représenter la solution : croquis coté et nomenclature

Une fois le besoin écrit, on représente la solution. Le croquis est un dessin à main levée, sans règle et sans échelle, mais il porte obligatoirement ses cotes en millimètres : hauteur, largeur, profondeur. Ces cotes ne sont pas décoratives, ce sont elles que l'on saisit ensuite dans le logiciel de modélisation 3D.

Sur le croquis, on place et on légende les éléments importants : le capteur, l'actionneur, la carte, l'entrée du câble d'alimentation. Chaque élément reçoit un repère, c'est-à-dire un chiffre inscrit dans un petit cercle relié à la pièce par un trait fin.

La nomenclature est le tableau qui accompagne le croquis. Elle comporte quatre colonnes : repère, désignation, quantité, rôle du composant. Le lien entre les deux documents est strict : tout repère écrit dans la nomenclature doit se retrouver sur le croquis, et inversement. C'est ce lien qui permet à une autre personne de comprendre le projet sans explication orale.

3, Organiser le travail : rôles, tâches, jalons et diagramme de Gantt

Une équipe de quatre élèves se répartit quatre rôles : chef de projet, dessinateur-modélisateur, programmeur, fabricant-testeur. Chaque élève est responsable d'une production précise, et c'est sur cette production qu'il est évalué.

Quatre mots servent à organiser le travail. Une tâche est une action à réaliser, avec une durée et un responsable. Un jalon est un point de contrôle, de durée nulle, où l'on vérifie l'avancement avant de continuer. Un livrable est le résultat concret attendu à la fin d'une étape. Le parallélisme est le fait de mener deux tâches en même temps, par deux personnes différentes.

Le diagramme de Gantt est le tableau qui montre tout cela sur un axe de temps : une colonne large pour les tâches, puis une colonne étroite par séance. Chaque tâche est hachurée sur les séances où elle est menée, avec une hachure différente par tâche, pour que le document reste lisible en photocopie noir et blanc. Les jalons se dessinent en petit triangle noir dans le coin d'une case, avec leur numéro.

Un planning ne sert pas seulement à être tracé : il sert à décider. C'est en le mettant à jour, en ouverture de la séance 4, que l'on voit un retard et que l'on modifie l'ordre des tâches pour le rattraper.

4, La chaîne numérique : du modèle à la pièce

La chaîne numérique est la suite des étapes qui vont du dessin sur ordinateur jusqu'à la pièce réelle. Elle n'est pas la même selon la machine.

Pour l'impression 3D : on modélise en volume, on exporte au format STL, on ouvre ce fichier dans un logiciel de découpage en couches qui le transforme en instructions pour la machine, puis on imprime. Réglages retenus pour la séquence : remplissage 20 %, épaisseur de couche 0,2 mm, bordure d'accroche si la pièce est étroite, échelle toujours à 1:1.
Pour la découpe laser : on prépare un dessin vectoriel au format SVG, aux dimensions réelles. Les traits de coupe et les traits de gravure doivent être distincts. Sur le papier, la coupe est un trait plein fin et la gravure un trait pointillé. Dans le logiciel de la machine, on leur donne en plus deux couleurs différentes, ce qui permet de leur attribuer deux réglages différents.

Une règle de conception vaut pour les deux procédés : entre deux pièces qui doivent s'emboîter, on laisse un jeu d'assemblage de 0,2 à 0,3 mm. Une pièce imprimée n'est jamais parfaitement aux cotes du modèle ; sans jeu, elle ne rentre pas.

Une dernière règle vient du quota de matière : plus les parois sont épaisses, plus la pièce est lourde. Un boîtier de 100 sur 60 sur 40 mm avec des parois de 1,2 mm pèse environ 38 g ; avec des parois de 2 mm, il dépasserait les 40 g autorisés. L'épaisseur de paroi est donc un choix de conception, et non un détail.

5 : La sécurité au FabLab et la sécurité électrique

Cinq règles s'appliquent au FabLab, et chacune s'explique par le danger qu'elle écarte. Porter les lunettes de protection, car une projection atteint l'œil et l'œil ne se répare pas. Ne jamais toucher la buse de l'imprimante 3D, car elle dépasse 200 °C. Ne jamais regarder le faisceau laser, car il abîme la rétine de façon définitive. Vérifier que la ventilation est en marche pendant la découpe, car les fumées sont toxiques. Attendre le refroidissement des pièces, car elles restent brûlantes plusieurs minutes sans en avoir l'air.

À ces cinq règles s'ajoutent les règles électriques du montage, tout aussi strictes. Le prototype est alimenté par le câble USB de l'ordinateur ou par une batterie externe de téléphone : jamais par le secteur. Aucun objet de la séquence n'approche du courant du secteur, ni pendant la fabrication, ni pendant la démonstration. La LED est toujours montée en série avec sa résistance de 220 ohms, patte longue vers le plus. Un actionneur de puissance ne se branche jamais directement sur une broche de la carte : il passe par un organe de commande, transistor ou relais. Enfin, on vérifie tout le câblage avant de mettre sous tension, jamais après, et on débranche le câble USB avant de modifier un câblage.

Une règle de sécurité ne se découvre pas par essais : elle s'énonce et se justifie avant tout accès aux machines.

6, Tester et valider : le retour au cahier des charges

Un prototype est le premier exemplaire d'un objet, fabriqué pour être testé. Le tester et le valider sont deux opérations différentes.

Tester, c'est vérifier que l'objet fonctionne : le capteur détecte-t-il, l'actionneur réagit-il, le programme va-t-il du début à la fin, l'objet est-il solide et stable ? Chaque test est coché OK ou KO. Un KO n'est pas une faute : ce qui compte est d'écrire le problème rencontré et la solution appliquée. C'est cette colonne qui montre que l'équipe a compris ce qu'elle faisait.

Valider, c'est reprendre le cahier des charges rédigé en début de projet, ligne par ligne, et écrire pour chacune « respecté » ou « non respecté », avec le résultat mesuré quand il y en a un. Pour chaque ligne non respectée, on propose une amélioration concrète, chiffrée quand c'est possible.

Avant de valider, on contrôle la qualité des pièces au pied à coulisse : la dimension mesurée doit correspondre au modèle 3D à moins de 1 mm près, les pièces doivent s'emboîter sans forcer, les ouvertures doivent être au bon endroit, les bords doivent être lisses.

7, Rendre compte : la soutenance orale

Un projet n'est terminé que lorsqu'il a été présenté. L'exposé comporte cinq parties, toujours dans le même ordre. Introduction : nom du projet, équipe, problème à résoudre. Cahier des charges : fonction principale et contraintes chiffrées. Réalisation : étapes de conception et de fabrication, machines utilisées. Démonstration : le prototype en fonctionnement. Bilan : difficultés, solutions trouvées, améliorations possibles.

Le support tient sur une seule feuille A3, écrite gros au feutre noir, en mots-clés et non en phrases. On s'appuie sur le support, on ne le lit pas : une phrase écrite en entier sera lue.

Après l'exposé viennent les questions. On s'y prépare en écrivant à l'avance trois questions probables et leur réponse en une phrase.

Ce format prépare l'oral de soutenance du diplôme national du brevet, passé en fin de troisième. Cet oral dure 15 minutes, avec environ 5 minutes d'exposé et environ 10 minutes d'entretien ; il se passe seul ou en groupe de 3 élèves au maximum ; il est noté sur 20, dont 8 points pour l'expression orale et 12 points pour la maîtrise du sujet. La soutenance de la séquence n'est pas notée sur 20 : elle est évaluée avec les quatre niveaux de maîtrise.

⭐ À retenir

Le cahier des charges dit ce que l'objet doit faire ; il ne dit jamais comment le fabriquer.
Une contrainte sans valeur mesurable ne peut pas être vérifiée à la fin : elle ne sert à rien. Une valeur que l'on ne peut pas mesurer dans le temps d'une séance ne vaut guère mieux.
Le croquis est à main levée, mais ses cotes sont obligatoires et écrites en millimètres : ce sont elles que l'on saisit dans le logiciel de modélisation.
Un jalon est un point de contrôle de durée nulle ; deux tâches menées en même temps par deux personnes différentes, c'est du parallélisme.
Le planning ne sert pas à être joli : il sert à repérer un retard et à décider dans quel ordre reprendre les tâches.
Impression 3D : fichier STL, découpage en couches, remplissage 20 %, couche 0,2 mm, échelle 1:1. Découpe laser : fichier SVG aux dimensions réelles, coupe en trait plein, gravure en trait pointillé.
Entre deux pièces qui s'emboîtent, on prévoit toujours un jeu d'assemblage de 0,2 à 0,3 mm.
L'épaisseur de paroi se choisit aussi en fonction du quota : 1,2 mm de paroi pour un boîtier de 100 sur 60 sur 40 mm, soit environ 38 g de PLA, sous le quota de 40 g.
Au FabLab : lunettes, jamais la buse, jamais le faisceau laser, ventilation en marche, refroidissement avant manipulation.
Le prototype est alimenté par câble USB ou par batterie externe, jamais par le secteur. La LED porte toujours sa résistance de 220 ohms en série. Un actionneur de puissance passe par un transistor ou un relais, jamais directement sur une broche.
On vérifie tout le câblage avant de mettre sous tension, jamais après, et on débranche avant de modifier un câblage.
Valider, c'est reprendre chaque ligne du cahier des charges et écrire « respecté » ou « non respecté », avec la mesure et, si besoin, une amélioration chiffrée.
À l'oral, on s'appuie sur le support et on ne le lit pas ; l'exposé suit toujours les cinq parties : introduction, cahier des charges, réalisation, démonstration, bilan.

📖 Vocabulaire

Terme	Définition
Objet technique programmé	Objet qui mesure une grandeur avec un capteur, traite cette information avec une carte, puis déclenche une action avec un actionneur.
Prototype	Premier exemplaire d'un objet, fabriqué pour être testé et amélioré, et non pour être utilisé longtemps.
Cahier des charges fonctionnel (CdCF)	Document de référence du projet, qui écrit ce que l'objet doit faire, les contraintes à respecter et la façon de vérifier que le besoin est satisfait. Il ne décrit jamais la fabrication.
Fonction principale	Service rendu par l'objet, exprimé du point de vue de l'utilisateur. Exemple : prévenir par un son quand l'eau approche du bord de la citerne.
Fonction de contrainte	Limite que l'objet doit respecter : dimension, matériau, condition d'usage, quota de matière. Elle porte toujours une valeur mesurable avec son unité.
Critère mesurable	Valeur chiffrée, avec son unité, qui permet de vérifier une contrainte à la fin du projet, à la règle, au pied à coulisse, à la balance ou au chronomètre, et dans le temps d'une séance.
Croquis coté	Dessin à main levée, sans échelle, portant les dimensions principales écrites en millimètres et les repères des composants.
Nomenclature	Tableau à quatre colonnes : repère, désignation, quantité, rôle, qui liste tous les composants de l'objet. Chaque repère est reporté sur le croquis.
Tâche	Action à réaliser dans le projet, avec une durée et un responsable désigné.
Jalon	Point de contrôle de durée nulle, où l'on vérifie l'avancement du projet avant de continuer. Les quatre jalons de la séquence sont J1, J2, J3 et J4.
Livrable	Résultat concret attendu à la fin d'une étape : un cahier des charges signé, un fichier STL vérifié, un prototype assemblé.
Parallélisme	Fait de mener deux tâches en même temps, par deux personnes différentes, parce qu'aucune des deux n'attend le résultat de l'autre.
Diagramme de Gantt	Tableau qui représente les tâches, leurs durées et les jalons sur un axe de temps découpé en séances. Chaque tâche y est repérée par une hachure différente.
Chaîne numérique	Suite des étapes qui vont du modèle sur ordinateur à la pièce réelle : modélisation, export du fichier, préparation pour la machine, fabrication.
Fichier STL	Format de fichier qui décrit la surface d'un volume par un maillage de triangles. C'est le fichier que l'on exporte pour l'impression 3D.
Découpage en couches	Opération faite par un logiciel qui transforme le fichier STL en tranches horizontales et en instructions pour l'imprimante 3D.
Fichier SVG	Format de dessin vectoriel, aux dimensions réelles, utilisé pour la découpe laser. La coupe et la gravure y sont deux familles de traits distinctes.
Trait de coupe	Trait plein fin sur le dessin imprimé : le laser traverse la matière. Le trait de gravure, lui, est pointillé : le laser marque seulement la surface.
Jeu d'assemblage	Petit espace, de 0,2 à 0,3 mm, prévu volontairement dans le modèle entre deux pièces qui doivent s'emboîter, pour qu'elles rentrent après fabrication.
Contrôle qualité	Vérification des pièces fabriquées : dimensions mesurées au pied à coulisse, emboîtement, position des ouvertures, état des bords.
Validation	Retour au cahier des charges après fabrication : chaque ligne est reprise et déclarée respectée ou non respectée, avec la mesure obtenue et, si besoin, une amélioration.

Séquence 9 : Du besoin au prototype : concevoir et fabriquer un objet technique programmé