E-poignée
Une poignée de substitution
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CC-by-sa-3.0
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Sommaire
Objet
Cette version de la e-poignée transmet, la température mesurée par le thermocouple, à l'ordinateur par l'intermédiaire d'une connectique USB 2.0. Elle est un objet connecté et intelligent.
Description
Le rendu de la vue d'ensemble (fig 1) généré par Openscad met en évidence son aspect et son concept d'assemblage.
Le rendu de la vue éclatée (fig 2) de la e-poignée permet de matérialiser ses différents éléments. Chaque élément possède un repère numérique qui apparaît entre crochets [], par exemple, la jupe [8].
Les éléments essentiels sont :
- une entretoise M5 [15] qui permet la fixation de la e-poignée sur le couvercle [18] de la casserole.
- Un thermocouple [16] appliqué sur l'entretoise M5 [15]. Il effectue la mesure de la température sur le couvercle [18].
- Un module électronique [6] qui reçoit en entrée le thermocouple [16], traite le signal reçu et met périodiquement à disposition sur une embase USB la mesure de la température.
- Un câble [17] mini USB réalise la connexion avec l'ordinateur.
La e-poignée USB est constitué de 3 pièces fabriquées en plateforme C sur l'une des imprimantes 3D Asimov (en vert et de haut en bas) :
- Le logo [1],
- Le top [4],
- La jupe [8] (elle est coupée pour mettre en évidence l'assemblage des pièces).
Elle est complétée :
- D'un jeu de visserie (en gris : vis, entretoises, rondelles, écrous),
- D'un module [6] de mesure de la température situé au dessus de la jupe [8] (en orange),
- D'un isolateur [10] (en orange) situé au dessous de la jupe [8].
Une nomenclature permet de répertorier les éléments de la e-poignée USB, la première colonne indique le niveau de décomposition :
| Désignation | Fournisseur | Référence | Repère | Qte | |
|---|---|---|---|---|---|
| • | Logo | |
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| • | Top | |
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| • | Jupe | |
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| • | Module équipé de mesure de la température | |
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| • | Isolateur thermique | |
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| •• | Platine d'essais | |
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| •• | Prototypage selon plan | |
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| • | Thermocouple K - TP01 | |
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| • | Jeu de visserie | | |||
| •• | Vis M3 - TCBL POZI M3X6 INOX A2 DIN 7985 | |
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| •• | Rondelle éventail denture extérieure AZ 0 3 INOX A2 DIN 6798 A | |
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| •• | Entretoise hexagonale M3X10 SIX PANS 5.5 FEM/FEM LAITON NICKELE | |
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| •• | Rondelle éventail denture extérieure AZ 0 3 INOX A2 DIN 6798 A | |
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| •• | Entretoise M3 | |
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| •• | Rondelle éventail denture extérieure AZ 0 3 INOX A2 DIN 6798 A | |
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| •• | Vis M3 - TCBL POZI M3X5 INOX A2 DIN 7985 | |
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| •• | Ecrou autofreiné SNEP H100 M5 Z.BLANC | |
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| •• | Rondelle éventail denture extérieure AZ 0 5 INOX A2 DIN 6798 A | |
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| •• | Entretoise hexagonale M5X16 MALE-FEMELLE Z.BLANC | |
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| Couvercle de la casserole | |
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Fabrication
La fabrication de la e-poignée USB fait appel à l'approvisionnement de matériels standards, au prototypage et à l'impression 3D.
Approvisionnement
L'approvisionnement des matériels standards :
- La visserie chez BRICOVIS et HPC.
- Le module de mesure de la température est approvisionné au Canada, il s'agit d'un module électronique [6] qui reçoit en entrée le thermocouple [16] et fourni en sortie sur une embase USB la température mesurée.
- La platine d'essai chez Conrad
Compte tenu du coût élevé de ce module, une étude basée sur l'utilisation d'un microcontrôleur est envisagée. Elle fait l'objet d'un projet séparé.
Prototypage
Le prototypage concerne :
- la finition des pièces fabriquées sur imprimante 3D,
- la fabrication de l'isolateur [10] (voir la nomenclature),
- l'assemblage des pièces selon la figure 2.
fabrication de l'isolateur
L'objet de l'isolateur est de réaliser une isolation thermique entre l'entretoise [15] et la jupe [8].
La vue de dessus modélisée sous LibreCAD correspond à :
Il est fabriqué à partir d'une [platine d'essai à pastilles en bakélite] (voir la nomenclature).
Impression 3D
La modélisation 3D et la fabrication, des pièces principales de la e-poignée, sont réalisées en Plateforme C au fablab de Nantes en suivant les directives et conseils d'imprimer en 3D à plateforme C. Elles utilisent des logiciels open source, pour :
- la modèlisation 3D, Openscad qui génère un fichier stl).
- la fabrication sur imprimante 3D :
- Slic 3r qui translate un modèle digital 3D (fichier stl) en instructions interprétables par une imprimante 3D. Il découpe le modèle en tranches horizontales et génère les chemins adéquats pour remplir ces tranches. Slic 3r est configuré à partir du fichier config-withendstop[1].ini, sans doute une variante du Fichier:Config-withendstop.ini. Il génère le G-CODE.
- Pronterface qui pilote l'imprimante 3D à partir du G-CODE.
Contraintes
Les contraintes de la e-poignée USB sont réunies dans le tableau ci-dessous. La colonne Résultat sera renseignée au moment de l'évaluation.
| Contrainte | Observation | Résultat | |
|---|---|---|---|
| 0 | Montage/démontage sur le couvercle | Simplicité | |
| 1 | Fixation M5 sur le couvercle | Usage sur tout type de couvercle avec poignée démontable | |
| 2 | Application du thermocouple sur le couvercle | Contact intime et fiable | |
| 3 | Fixation du circuit imprimé | |
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| 4 | Accessibilité du bornier de connexion du thermocouple | |
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| 5 | Visibilité de l’embase USB pour faciliter la connexion du câble | |
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| 6 | Reconduire la fonctionnalité de manutention de la poignée | ||
| 7 | Incrustation du logo | ||
| 8 | Incrustation du sigle USB | ||
| 9 | Peinture (couleur du logo : vert, orange, gris) / Vernis | ||
| 10 | Tenue en température | Eviter le contact entre le PLA et le couvercle | |
| 11 | Assurer la fonction complémentaire de milieu de table | ||
| 12 | Etanchéité au ruissellement | Vernis ? | |
| 13 | Assemblage facile | Pas d'outillage spécifique |
Dimensions
Les dimensions de la e-poignée USB tiennent compte de la morphologie de la main et des dimensions propres du module de mesure de la température . Les dimensions communes aux trois pièces (jupe [8], top [4] et logo [1]) sont consignées dans le fichier Openscad Media : dim1.scad, les dimensions du CI [6] sont exprimées en pouces et converties en mm, un extrait de ce fichier est donné ci-dessous :
CC=25.4;//Coefficient de Conversion (pouce -> mm)
L1=1.6*CC;//longueur du CI
L2=1.3*CC;//entre axes des trous de fixation du CI
l1=1.2*CC;//largeur du CI
l2=0.9*CC;//entre axes des trous de fixation du CI
r=(0.125*CC)/2;//rayon de percage des trous de fixation du CI
e=0.1*CC;//epaisseur des parois
R=37.15;//Rayon du cercle de revolution du tore
La jupe
La jupe [8] habille la partie inférieure de la e-poignée. Le logiciel Openscad après compilation du code contenu dans le Fichier:Jupe.scad génère le rendu en 3D correspondant à la figure ci-dessous :
Elle a la forme d'un parallélépipède (cube dans la terminologie d'Openscad) dont les angles sont arrondis, elle est constituée de 4 flancs latéraux et d'une partie supérieure appelée plateforme. Cette plateforme est percée de 4 trous qui permettent, au dessus, la fixation du CI [6], et au dessous, la fixation de l'isolateur [10] qui a les mêmes dimensions que le CI [6]. Pour tenir compte de la contrainte thermique due à la proximité de la jupe [8] et du couvercle [18], Il est nécessaire d'éviter leur contact, mieux, ménager un petit espace entre eux. En outre, cet espace constitue l'entrée d'un flux d'air ambiant. Ce flux d'air sort par une ouverture (aération) prévue sur la plateforme. Cette aération naturelle permet de maîtriser la température sous la jupe [8] et donc celle du CI [6]. La hauteur de la jupe hj est ajustée en conséquence. En complément, une goulotte permet le passage du câble du thermocouple.
La vue de dessous de la jupe [8] permet de mettre en évidence
ses longueurs (intérieure et extérieure) et ses largeurs (intérieure et extérieure). Elles correspondent a celles du CI [6] (Longueur L1, largeur l1) auxquelles viennent s'ajouter un multiple de l'épaisseur e des parois, soit :
- Longueur extérieure = L1+4*e, Longueur intérieure = L1+2*e,
- largeur extérieure = l1+4*e, largeur intérieure = l1+2*e.
Le code utilise principalement les instructions "rotate", "difference", "union" et "minkowski".
- L'instruction "rotate" réalise une rotation de 180 degrés nécessaire a l'impression 3D.
- L'instruction "différence" va permettre de retirer de la matière aux endroits adéquats.
- L'instruction "union" va permettre de grouper le grand cube et la goulotte.
- L'instruction "minkowski" effectue la somme d'un parallélépipède (cube) et d'un cylindre, ce cylindre va arrondir les angles du cube, la somme "minkowski" est calculée selon les 3 axes (x, y et z) et prend en compte les dimensions du cube et du cylindre.
Dans ce contexte :
- l'instruction "minkowski" permet les constructions successives d'un "grand cube" et d'un "petit cube".
- l'instruction "difference" génère la jupe [8] par soustraction du "grand cube" et du "petit cube" ,
Pour tenir compte de la somme effectuée par l'instruction "minkowski",les dimensions sont :
- selon les axes x et y, :
- selon l'axe z, pour obtenir la hauteur hj, il faut dimensionner la hauteur du cube et celle du cylindre à hj/2.
Pour quantifier les dimensions énoncées ci-dessus, il faut additionner aux dimensions (L1 ou l1) du CI [6] 2 fois celle du rayon du cylindre (celui situé sur la partie gauche et celui situé sur la partie droite de la jupe [8]), soit :
- Longueur extérieure = 1,6+4*0,1 = 2 pouces, Longueur intérieure = 1,6+2*0,1 = 1,8 pouces,
- largeur extérieure = 1,2+4*0,1 = 1,6 pouces, largeur intérieure = 1,2+2*0,1 = 1,4 pouces.
Les instructions du code sont les suivantes :
//Construction de la jupe
difference(){
//Contruction du grand cube et de sa goulotte : union(){ minkowski(){ cube(size = [L1,l1,hj/2], center = true); cylinder(h = hj/2, r = 2*e, center = true); } translate([-((L1/2)+(3*e/2)),0,0])cylinder(h = hj, r = 5*r, center = true); //Goulotte } //Construction du petit cube : translate([0,0,-e])minkowski(){ cube(size = [L1,l1,hj/2], center = true); cylinder(h = hj/2, r = e, center = true); }
//Percage des trous de fixation : translate([L2/2,l2/2,hj/2])cylinder(h = hj/2, r = r, center = true); translate([-L2/2,-l2/2,hj/2])cylinder(h = hj/2, r = r, center = true); translate([-L2/2,l2/2,hj/2])cylinder(h = hj/2, r = r, center = true); translate([L2/2,-l2/2,hj/2])cylinder(h = hj/2, r = r, center = true);
//Ouverture pour le passage du cable du thermocouple dans la goulotte : minkowski(){ translate([-((L1/2)+(1.5*e)),0,0])cube(size = [3*r,r/2,1.1*hj], center = true); cylinder(h = hj/2, r = e, center = true); }
//Ouverture pour ventilation translate([0,0,hj/2])cylinder(h = hj/2, r = L2/2, center = true); } }
Le top
Le logiciel Openscad après compilation du code contenu dans le Fichier:Top.scad génère le rendu en 3D du top [4] correspondant à :
Parmi les 3 pièces de la e-poignée, le top [4] a pour objet de reconduire la fonctionnalité traditionnelle de la poignée du couvercle de la casserole, c'est à dire, de permettre sa manutention. Une fonctionnalité complémentaire est attendue, c'est celle dite de "milieu de table", le couvercle équipé de la e-poignée, après une rotation de 180 degrés, reçoit la casserole en constituant ainsi la fonctionnalité de milieu de table (voir photo).
N.B. : cette fonctionnalité est envisageable que si la conception, de la casserole et de son couvercle, le prévoit.
La modélisation du top [4] sous Openscad commence par l'initialisation des paramètres. Le code :
//Initialisation des parametres
//$fn=100;
include <dim1.scad>
Rt=5.5;//Rayon du cercle de la section du tore
coef=0.75;// Coef translation du cylindre de raccordement
La vue de dessus du top [4] permet de mettre en évidence ses dimensions.
Les 3 parties constituantes sont, le tore, un ensemble de 4 cylindres verticaux et un ensemble de 4 cylindres horizontaux. Le tore est la partie fonctionnelle telle que décrite ci-dessus, ses dimensions doivent tenir compte de la morphologie de la main. Le diamètre extérieur du tore (Øtore) est d'environ 85 mm, pour le calculer :
Par rapport à une main féminine, cette dimension est optimale. Le principe utilisé pour modéliser le tore est celui de l’extrusion qui convertit un objet 2D en un objet 3D. Openscad utilise une instruction composée de 3 parties :
- "rotate_extrude convexity = 10", qui réalise l'extrusion circulaire,
- "translate" qui exprime le rayon du cercle de révolution
- et "circle" qui exprime le rayon du cercle de la section du tore.
La fenêtre USB est réalisée par l'instruction "difference" entre le tore et un cube.
Le code :
difference(){
rotate_extrude(convexity = 10)
translate([R, 0, 0])
circle(r = Rt); //rayon du cercle de la section du tore
translate([R,0,0])cube(size = [15,12,8*e], center = true);//fenetre USB
}
L’ensemble des 4 Cylindres verticaux (Cv) est conçu pour répondre à 2 fonctionnalités, la première, en référence à la vue éclatée de la e-poignée (fig 2), la fixation du top [4], au dessus du CI [6], à l'aide de 4 entretoises filetées [5] et de 4 vis [2] équipées de rondelles [3], la deuxième, le maintien par simple emboîtement du logo [1].
La modélisation de chaque Cylindre vertical fait appel à un module Cv qui reçoit les coordonnées x et y. Le code :
//module Cylindre vertical (Cv)
rc=7.5;//rayon du cylindre
module Cv(x,y){
difference(){
translate([x,y,0])cylinder(h=2*Rt,r=rc,center=true);
translate([x,y,e/2])cylinder(h=1.01*(2*Rt-e),r=rc-e,center=true);//lamage
translate([x,y,0])cylinder(h=20,r=r,center=true);//trou
}
}
Le module Cv est appelé pour modéliser chacun des 4 cylindres, accompagné des coordonnées x et y égales aux entre-axes des trous de fixation du CI [6], soit L2/2 et l2/2 (fig 6), exprimés selon les 4 combinaisons des signes + et -. Le code :
//Construction des 4 cylindres verticaux
Cv(L2/2,l2/2);
Cv(L2/2,-l2/2);
Cv(-L2/2,-l2/2);
Cv(-L2/2,l2/2);
L’ensemble des 4 Cylindres horizontaux (Ch) relie le tore à l'ensemble des 4 cylindres verticaux. La modélisation de chaque cylindre horizontal fait appel à un module Ch qui reçoit les coordonnées x et y du centre du cylindre ainsi que la valeur d'un angle de rotation. Un paramètre "coef" fixé à 0.75 permet d'ajuster la position de ce centre. Le positionnement du cylindre est montré ci-dessous :
Le code :
//Module Cylindre horizontal de raccordement
module Ch(x,y,z){
translate([x*coef,y*coef,0])rotate([90,0,z])cylinder(h=10,r=Rt/1.1,center=true);
}
Le module Ch est appelé pour modéliser chacun des 4 cylindres, accompagné des coordonnées du centre du cylindre, L2 et l2, exprimés selon les 4 combinaisons des signes + et -. Le code est :
//Construction des 4 cylindres horizontaux de raccordement
Ch(-L2,l2,atan (L2/l2));
Ch(L2,l2,-atan (L2/l2));
Ch(-L2,-l2,-atan (L2/l2));
Ch(L2,-l2,atan (L2/l2));
Pour vérifier le positionnement du centre de chaque cylindre horizontal (fig 7) :
y*coef = 0.9*0.75 = 0.675
Angle de rotation = atan (L2/l2) = atan(1.444) = 55.304 degrésLe logo
Le logiciel Openscad après compilation du code contenu dans le Fichier:Logo.scad génère le rendu en 3D du logo [1] correspondant à la figure ci-dessous :
L'objet de la pièce "logo" est de réserver un emplacement ou le logo Quiet cook peut être matérialisé. En complément, cette pièce cache les vis de fixation.
Il est composé d'une plate-forme cylindrique équipée :
- d'une fenêtre qui permet la visibilité de l'embase USB du CI [6],
- de 4 plots conçus pour assurer l'assemblage par emboîtement du logo sur le top [4].
L'emboîtement est réalisé grâce a la forme conique des 4 plots qui s'introduisent dans les 4 lamages des cylindres verticaux du top [4].
Chaque plot est évidé par une sphère pour accueillir la tête bombée de la vis de fixation du top [4].
Le code :
module plot (x,y){
r1=4.9;//Rayon du cone inferieur
r2=4.95;//Rayon du cone superieur
rs=3.5;//Rayon de la sphere
difference(){
translate([x,y,-e])cylinder(e,r1=r1,r2=r2,center=true);
translate([x,y,-e])sphere(3.5,center=true);
}
}
//Initialisation des parametres include <dim1.scad> Rl=R-12;//Rayon du logo //$fn=100;
//Construction du logo rotate([180,0,0]){
//Construction de la plateforme difference(){ //Construction du cylindre plateforme translate([0,0,0])cylinder(e,r=Rl,center=true); //Decoupe de la fenêtre USB translate([3+L2/2,0,0])minkowski(){cube(size = [8,6,1.1*e], center = true); cylinder(r=3,h=e); } }
//Construction des 4 plots plot(L2/2,l2/2);//Plot 1 plot(-L2/2,l2/2);//Plot 2 plot(-L2/2,-l2/2);//Plot 3 plot(L2/2,-l2/2);//Plot 4
}