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Matériaux et objets techniques SCIENCES ET TECHNOLOGIE Approfondir ses connaiss

Matériaux et objets techniques SCIENCES ET TECHNOLOGIE Approfondir ses connaissances Informer et accompagner les professionnels de l’éducation CYCLES 2 3 4 eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Mars 2016 1 Retrouvez Éduscol sur Représentation en conception assistée par ordinateur, modélisation du réel Introduction Les fiches connaissances ont pour objectif de présenter les principales connaissances et savoir-faire scientifiques et technologiques du thème « Matériaux et objets techniques » du programme de « Sciences et technologie » du cycle 3. Ces fiches ne constituent en aucune manière un manuel d’enseignement des sciences et technologie ni un document pédagogique qui décrirait des situations d’enseignements. Elles sont destinées aux professeurs, afin de les aider à maitriser les concepts et notions disciplinaires. Elles ne sont pas destinées aux élèves. Les contenus peuvent aller au-delà de ce qui est attendus dans les programmes. Références au programme IDENTIFIER LES PRINCIPALES FAMILLES DE MATÉRIAUX • Notion de contrainte. • Recherche d’idées (schémas, croquis …). • Modélisation du réel (maquette, modèles géométrique et numérique), représentation en conception assistée par ordinateur. En groupe, les élèves sont amenés à résoudre un problème technique, imaginer et réaliser des solutions techniques en effectuant des choix de matériaux et des moyens de réalisation. • Processus, planning, protocoles, procédés de réalisa tion (outils, machines). • Choix de matériaux. • Maquette, prototype. • Vérification et contrôles (dimensions, fonctionnement). Les élèves traduisent leur solution par une réalisation matérielle (maquette ou prototype). Ils utilisent des moyens de prototypage, de réalisation, de modélisa tion. Cette solution peut être modélisée virtuellement à travers des applications programmables permettant de visualiser un comportement. Ils collectent l’information, la mettent en commun, réalisent une production unique. Pour communiquer, le demandeur (le client), le concepteur et le fabriquant doivent utiliser un langage commun et univoque pour échanger, se comprendre, collaborer et contractualiser. Pour cela, ils utilisent des croquis, des schémas, des plans, des dessins normalisés, des modèles et des maquettes numériques. Les normes ont un aspect juridique pour garantir le contrat entre client et fournisseur ; c’est valable aussi pour la représentation des objets techniques. eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Mars 2016 2 CYCLE I SCIENCES ET TECHNOLOGIE I Approfondir ses connaissances 3 Matériaux et objets techniques Retrouvez Éduscol sur La réponse au besoin auquel répondra un objet technique impose une réflexion préalable pour déterminer les différentes fonctions à assurer. Il faut en particulièrement étudier la relation entre les sous-ensembles, les organes à travers les liaisons, les différents transferts d’énergie et les transmissions d’information. Concernant particulièrement la structure mécanique de l’objet technique, le procédé d’obtention (mise en forme brute) des pièces et les opérations de finition (précisions dimensionnelle et géométrique...) à réaliser doivent être pris en compte lors de la représentation. Ces aspects techniques doivent être conciliés avec les exigences esthétiques et/ou ergonomiques, économiques et celles liées au développement durable. Ces exigences sont mentionnées dans la représentation de l’objet technique. Le cycle de vie d’un objet technique est généralement décomposé en cinq phases que sont : • la recherche et le développement ; • la mise sur le marché ; • la croissance ; • la maturité (qui inclue la sous phase de saturation du marché) ; • le déclin (qui inclut entre autre le recyclage du produit). La création de produit a de tout temps exploité les évolution des moyens de communication et de représentation du réel. Il y a plus de 150 ans, seul le concepteur était capable d’interpréter ses croquis et notes. Les années passant des représentations ont été instaurées permettant un échange entre personnes compétentes utilisant le même langage, le dessin industriel était né. Il y a une quarantaine d’années, la naissance du Dessin Assisté par Ordinateur a amené la précision dans la définition des produits. Nonobstant, des erreurs d’interprétations étaient encore fort nombreuses. Le dessin en deux dimensions (2D) avait ses limites; il ne permettait pas de définir des surfaces et des volumes complexes. Dans les années quatre-vingt apparaissent les représentions volumique et surfacique qui dans un premier temps étaient réservés à de grands groupes industrielle. La précision de définition des composants d’un produit permettait alors de réduire les délais de réalisation et de limiter les sources d’erreur. Dans les années 90 les premiers outils de Fabrication Assistée par Ordinateur (FAO) font leur apparition permettant de créer le lien entre les modèles numériques 3D et les systèmes de pilotage des machines à commande numérique. Associés à ces outils de modélisation et de FAO apparaissent les premiers logiciels de gestion de données techniques devenus nécessaires pour la réalisation de maquettes complexes. Progressivement, les outils numériques deviennent capables d’associer de nombreuses pièces pour donner des maquettes complètes de systèmes même complexes et permettant de nombreuses simulations fonctionnelles, thermiques, cinématiques, dynamiques. eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Mars 2016 3 CYCLE I SCIENCES ET TECHNOLOGIE I Approfondir ses connaissances 3 Matériaux et objets techniques Retrouvez Éduscol sur Exemple : maquette automobile plus de 10000 composants, bateau près de 1 000 000 de composants, et dans le bâtiment le BIM. En 1995 la première maquette entièrement virtuelle d’un avion verra le jour : le Boing 777 avec plus de 3 000 000 de pièces, créées et par près de 900 sous-traitants disséminés sur près de 17 pays répartis sur le globe… le besoin d’échange formalisé était né avec le système de gestion de données techniques (SGDT) son correspondant en anglais Product Data Management (PLM). Les étapes de conception La recherche des contraintes s’imposant au produit à réaliser Recherches des normes et règlementations. NF : Norme Française EN : Norme Européenne ISO : Norme Internationale Identification de l’ensemble des contraintes, par exemple celles sur les matériaux pouvant être utilisés (plastiques, bois, métaux, verre,…) eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Mars 2016 4 CYCLE I SCIENCES ET TECHNOLOGIE I Approfondir ses connaissances 3 Matériaux et objets techniques Retrouvez Éduscol sur La recherche d’idées Croquis Réalisé à main levé sur une feuille de papier à plat et de plus en plus souvent directement en DAO, notamment avec des tablettes graphiques. Recherche de formes, de choix esthétiques, de principe de fonctionnement. Dessiné en 2 dimensions ou en perspective, de plus en plus souvent directement en 3D. Nota : les logiciels gratuits connus sont Draw, Inkscape, SketchUp... Schéma qui utilise des symboles normalisés ou non, mais reconnus Représentation graphique, basée sur des conventions. Il montre les composants sous forme de symboles normalisés. La position des composants et leurs in terconnexions ne représentent généralement pas leur positionnement physique. Réalisé à l’aide de logiciel de dessin 2D utilisant des symboles (ici symboles électriques). Nota : il existe des logiciels gratuits (ex. : ProfiCAD). Réalisé avec un logiciel de dessin 2D avec des symboles qui représentent les pièces et surtout les articulations entre elles afin de communiquer sur les possibilités de mouvements des différents organes d’un mécanisme et de préparer une étude cinématique. ci-contre un schéma cinématique donnant représenta tion simplifiée permettant une meilleure compréhension du fonctionnement, du déplacement des pièces (aspect cinématique). Nota : logiciels gratuits possibles : openMeca... Conception et représentation des systèmes Il y a deux types de logiciels : • la D.A.O. (Dessin Assisté par Ordinateur) qui consiste à représenter l’objet technique ou manufacturé en tenant compte de ses spécificités géométriques, et de quelques relations fonctionnelles (esthétiques, confort d’usage...). La D.A.O. permet de : - -réaliser une maquette numérique en 2D et/ou 3D ; - -réaliser des plans 2D et 3D. Mais ne permet pas de concevoir en fonction des moyens de l’entreprise (outils, machines- outils,…). eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Mars 2016 5 CYCLE I SCIENCES ET TECHNOLOGIE I Approfondir ses connaissances 3 Matériaux et objets techniques Retrouvez Éduscol sur De nombreux logiciels libres sont disponibles et simples d’utilisation et d’usage, les utilisateurs ont souvent accès à des bibliothèques d’objets qui sont constituées en réseau et dans l’esprit communautaire. Les logiciels sont souvent spécialisés : mécanique, architecture, jeux d’animation... Parmi ceux-ci, il y a Sketchup, Sweethome, Blender, Freecad, 3Dvia... • Le C.A.O. (Conception Assistée par Ordinateur). Cela comprend l’ensemble des logiciels et des techniques de modélisation géométrique permettant de concevoir avec les moyens de l’entreprise (Matériaux, machines-outils, outils,… que possède l’entreprise) grâce à des biblio thèques intégrées dans le logiciel, d’assembler, de tester virtuellement à l’aide de simulation numérique (cinématique, résistance des matériaux,…), de réaliser les programmes néces saires au machines-outils à commande numérique, d’éditer le dossier de définition (plan, dessin de définition, plan d’ensemble, nomenclature, etc). Il ne faut pas confondre C.A.O. et D.A.O. La D.A.O. se limite à l’édition du modèle numérique et ne permet pas l’interprétation technique de l’ensemble et ne tient pas compte des moyens de l’entreprise. Les différentes étapes de conception Réalisation de la maquette numérique en tenant compte des contraintes de l’entreprise (bibliothèques intégrées dans le logiciel). Bibliothèque intégrée : Réalisation de la cinématique pour valider le fonction nement. uploads/Ingenierie_Lourd/ 02-ra16-c3-scte-3-representation-modelisation-reel-618537.pdf