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A Si vous repérez ce qui vous semble être une erreur d’énoncé, vous devez le si

A Si vous repérez ce qui vous semble être une erreur d’énoncé, vous devez le signaler très lisiblement sur votre copie, en proposer la correction et poursuivre l’épreuve en conséquence. De même, si cela vous conduit à formuler une ou plusieurs hypothèses, vous devez la (ou les) mentionner explicitement. NB : Conformément au principe d’anonymat, votre copie ne doit comporter aucun signe distinctif, tel que nom, signature, origine, etc. Si le travail qui vous est demandé consiste notamment en la rédaction d’un projet ou d’une note, vous devrez impérativement vous abstenir de la signer ou de l’identifier. Tournez la page S.V.P. EAI STI 1 SESSION 2022 ____ AGRÉGATION CONCOURS INTERNE ET CAER Section : SCIENCES INDUSTRIELLES DE L'INGÉNIEUR ANALYSE ET EXPLOITATION PÉDAGOGIQUE D’UN SYSTÈME PLURITECHNOLOGIQUE Durée : 5 heures ____ Calculatrice autorisée selon les modalités de la circulaire du 17 juin 2021 publiée au BOEN du 29 juillet 2021. L’usage de tout ouvrage de référence, de tout dictionnaire et de tout autre matériel électronique est rigoureusement interdit. O Options : sciences industrielles de l'ingénieur et ingénierie mécanique, O sciences industrielles de l'ingénieur et ingénierie électrique, sciences industrielles de l'ingénieur et ingénierie des constructions. EAI STI 1 INFORMATION AUX CANDIDATS Vous trouverez ci-après les codes nécessaires vous permettant de compléter les rubriques figurant en en-tête de votre copie. Ces codes doivent être reportés sur chacune des copies que vous remettrez. ► Concours interne de l’Agrégation de l’enseignement public : Option : sciences industrielles de l'ingénieur et ingénierie mécanique Concours Section/option Epreuve Matière EAI 1414A 101 7809 Option : Sciences industrielles de l'ingénieur et ingénierie électrique Concours Section/option Epreuve Matière EAI 1415A 101 7809 Option : Sciences industrielles de l'ingénieur et ingénierie des constructions Concours Section/option Epreuve Matière EAI 1416A 101 7809 ► Concours interne de l’Agrégation de l’enseignement Privé : Option : sciences industrielles de l'ingénieur et ingénierie mécanique Concours Section/option Epreuve Matière EAH 1414A 101 7809 Option : Sciences industrielles de l'ingénieur et ingénierie électrique Concours Section/option Epreuve Matière EAH 1415A 101 7809 Option : Sciences industrielles de l'ingénieur et ingénierie des constructions Concours Section/option Epreuve Matière EAH 1416A 101 7809 ‒ 2 ‒ Page 2 sur 56 COMPOSITION DU SUJET SUJET : Quelles technologies pour imprimer des pièces métalliques ? 5 Comment mettre en place une atmosphère contrôlée ? 5 Comment améliorer la récupération et le recyclage des poudres ? 10 Comment adapter la structure du module AddUp FlexCare System à l’utilisation d’imprimantes 3D à poudres métalliques ? 13 Quelle exploitation pédagogique du dossier ? 17 DOCUMENTS : DOSSIER TECHNIQUE (DT1 à DT 17) - Documents relatifs au support de l'étude 18 DOSSIER PÉDAGOGIQUE (DP1 à DP5) - Documents spécifiques aux exploitations pédagogiques 35 DOSSIER RÉPONSES DR1 - Document à compléter et à rendre par le candidat 56 Le sujet comporte cinq parties dont les quatre premières, indépendantes, peuvent être traitées dans un ordre indifférent. Les différentes parties seront traitées sur des copies séparées. Toutes les réponses devront être détaillées sur la copie et les résultats encadrés ou soulignés. Les unités des résultats seront précisées Tous les documents réponses, remplis ou non, sont à rendre avec les copies. EAI STI 1 B Tournez la page S.V.P. Page 3 sur 56 Mise en situation La fabrication additive, communément appelée « impression 3D », consiste à obtenir des objets par addition de matière en couches successives. Initialement réservée au prototypage, cette technique se développe pour des fabrications industrielles sérielles, notamment dans les domaines de l’aéronautique, de l’automobile, de la médecine ou de l’architecture. Concernant la fabrication de pièces métalliques, trois principaux procédés sont le plus souvent rencontrés. Dans le premier procédés, il existe principalement trois technologies. « Le frittage sélectif par laser (Selective Laser Sintering – SLS) » consiste à « souder » entre elles (fritter) de fines particules (plastique, métal, céramique…) à l’aide d’un laser. Dès que l’imprimante 3D a déposé une fine couche de poudre dans son bac d’impression, le laser fritte les particules entre elles. Sur certaines machines, le laser peut également fusionner les fines particules pour donner des objets beaucoup plus résistants que par frittage. Il s’agit de la « Fusion sélective par laser (Selective Laser Melting – SLM) ». La troisième technologie, « Fusion par faisceau d’électrons (Electron Beam Melting – EBM) » est également basée sur le principe de fusion d’un lit de poudre métallique, mais cette fois par un faisceau d’électrons. Ce procédé a pour particularité d’être réalisé sous vide, ce qui limite les phénomènes d’oxydation et d’utiliser une enceinte chauffée, ce qui minimise les contraintes résiduelles dans le matériau. Pour les trois technologies, pour chaque nouvelle couche, le bac d’impression est déplacé légèrement vers le bas (d’une épaisseur de couche) et le procédé est répété jusqu’à finaliser l’objet qui se retrouve dans un bac de poudre réutilisable. La poudre peut donc servir de support lorsque la forme de la pièce le nécessite. Le deuxième procédé, par dépôt de matière ou « Bound Metal Deposition (BDM) », est intéressant, car de faible coût et convient principalement au prototypage ou à l’impression de pièces uniques sur mesure. La pièce est construite couche par couche en extrudant le matériau à travers une buse. En fonction de la forme de la pièce, ce principe peut nécessiter la mise en place de supports. Après l’impression la pièce doit recevoir une opération d’élimination du liant et un frittage pour devenir entièrement métallique. Le troisième procédé, « jet de liant métallique », est adapté aux petites et moyennes séries. Il s’agit de déposer un liant sur une fine couche de poudre au moyen de buses. Ce procédé, fonctionnant à température ambiante, élimine les effets thermiques. Comme pour le procédé BDM, un post-traitement est nécessaire pour créer une pièce entièrement métallique. Page 4 sur 56 Identification des risques : La fabrication additive utilisant des poudres métalliques présente des risques de deux ordres : le risque incendie selon le matériau utilisé dans le processus et notamment s’il est réactif avec l’oxygène, le risque pour la santé, dû à la taille des particules utilisées (10 µ à 100 µ). Pour répondre à cette problématique, la société AddUp FlexCare System™ propose une solution à atmosphère contrôlée, flexible et facilement transportable, pour protéger les opérateurs et les bâtiments environnants des risques liés à l’utilisation industrielle des machines de fabrication additive métallique (cf. Diagramme d’exigences DT1). Cette solution permet : • le passage à la phase industrielle dans le respect des exigences et standards HSE ; • le conteneur facilement transportable pour produire au plus proche du besoin ; • la solution modulable qui s’adapte au nombre de machines ; • la protection compacte optimisée. La cellule est prévue pour accueillir : • la (les) machine(s) ; • le tamiseur ; • l’aspirateur inerté ; • le chariot pour charger / décharger les plateaux des machines ; • l’aspirateur humide ; • le stockage des conteneurs de poudre neuve / recyclée. L’étude est décomposée en 5 parties permettant de répondre à des problématiques techniques : Partie 1 : quelles technologies utiliser pour imprimer des pièces métalliques ? Partie 2 : comment mettre en place une atmosphère contrôlée ? Partie 3 : comment améliorer la récupération et le recyclage des poudres ? Partie 4 : comment adapter la structure du module AddUp FlexCare System™ à l’utilisation d’imprimantes 3D à poudres métalliques ? Partie 5 : quelle exploitation pédagogique du dossier ? Tournez la page S.V.P. Page 5 sur 56 Quelles technologies pour imprimer des pièces métalliques ? Objectif : Cette partie a pour objectif d’identifier les caractéristiques de différents procédés d’impression 3D afin de pouvoir les comparer. Question 1 : À partir des informations sur les procédés de fabrication additive métal, identifier quatre critères permettant de caractériser les différentes technologies et proposer un tableau permettant de comparer les différentes technologies. Par rapport aux procédés plus classiques comme la Stéréo-lithographie (lumière UV pour solidifier une résine liquide) ou le dépôt de fil polymère, les trois procédés d’impression métal présentent un critère de risque non négligeable qu’il convient d’appréhender. Question 2 : À partir du contexte technique présenté dans ce dossier et du contexte pédagogique présenté dans le document DP1, proposer avec une argumentation, une phase de lancement de séquence ainsi qu’une compétence pouvant être mobilisée dans ce cadre. Comment mettre en place une atmosphère contrôlée ? Objectif : Afin de respecter les normes de sécurité au sein du Flex-Care il est indispensable de respecter des consignes de dépression, de température et d’hygrométrie. Cette partie étudie la régulation de pression puis la climatisation afin de vérifier le respect des exigences du cahier des charges. 2.1 Régulation de la pression – requirement Pression Id 1.1.3 Pour assurer une dépression de 20 Pa dans la zone de travail, quel que soit le niveau de saturation du filtre à particules, il est nécessaire dans un premier temps de définir le débit d’extraction d’air du local, puis la fréquence de rotation du ventilateur d’extraction et enfin la fréquence d’alimentation du moteur asynchrone entraînant le ventilateur. Pour maintenir cette dépression à une valeur fixe, uploads/Industriel/ agregation-int-2022-sii-epreuve-1 1 .pdf