Mars 2011



Une conception non conventionnelle

La conception d’un produit implique une série de choix relatifs à la fonction et à l’esthétique du produit, au mode de fabrication à utiliser pour le réaliser, ainsi que des limitations d’ordre physique, financier et autre, et des contraintes de temps. Notre bulletin de ce mois-ci, décrit certains choix auxquels a été confronté un concepteur pendant le développement de son produit. Nous espérons qu’il vous offrira quelques repères que vous pourrez utiliser dans vos projets de développement.


Ce produit s’appelle Reptangles. Il s’agit d’un jouet à assembler, composé de blocs à facettes identiques en forme de tortues, qui peuvent s’imbriquer de manière pratiquement illimitée pour créer des configurations tridimensionnelles complexes. Ce concept a été breveté sous le nom de « Multifaceted Nesting Modules » (modules imbriqués à facettes).


Ce projet devait relever trois grands défis de conception : il fallait développer la forme des tortues en plastique ; créer les connecteurs (56 par bloc) permettant d’imbriquer les tortues selon différentes configurations ; et concevoir les blocs de manière à pouvoir les produire dans des moules sans tiroirs simples et économiques afin d’obtenir un faible coût de produit.

Figure 1 : Les connecteurs des Reptangles s’enclenchent pour résister à la séparation mais restent détachables.

Figure 1 : Les connecteurs des Reptangles s’enclenchent pour résister à la séparation mais restent détachables.


Les connecteurs devaient être positionnés avec diverses orientations sur un bloc à facettes (voir Figure 1). C’est en partie pour cette raison qu’un simple assemblage par frottement, comme celui des briques LEGO® n’était pas adapté. Un assemblage par frottement nécessite des tolérances extrêmement strictes qui peuvent se trouver modifiées par l’usure. Généralement, on empile les briques LEGO verticalement de sorte que la gravité les maintient assemblées. Les Reptangles peuvent être assemblés dans pratiquement toutes les orientations, leurs connexions peuvent donc être tirées dans presque tous les sens. Le concepteur, Jonathan Stapleton, a vite réalisé que ses connecteurs devraient s’enclencher pour résister à la séparation, tout en restant détachables. Il a aussi compris que pour l’assemblage, les faces ne s’approcheraient pas toujours perpendiculairement l'une par rapport à l’autre, mais pourraient se diriger obliquement l’une vers l’autre à leur point de rencontre.


La moulabilité représentait un énorme défi. Les tortues devant être tridimensionnelles et creuses, elles seraient moulées en deux pièces : le dessus et le dessous, comme à la Figure 2, puis elles seraient réunies de manière à former un bloc fini, mais il fallait toujours produire chaque moitié dans un moule en deux parties. Les faces étant positionnées à 45°, 90°, ou 135° par rapport à la direction d’ouverture du moule, les connecteurs devaient être spécialement conçus de manière à éviter les contre-dépouilles.

Figure 2 : Le dessus et le dessous se réunissent pour former une tortue en plastique complète.

Figure 2 : Le dessus et le dessous se réunissent pour former une tortue en plastique complète.


Grâce à la modélisation par CAO et au prototypage, Jonathan Stapleton a trouvé une solution basée sur des connecteurs triangulaires : des arcs en forme de triangle rectangle sur l'une des faces s’encastrent dans des encoches sur la face concourante, et des cliquets dans les parois de l’encoche créent un ajustement par serrage (Figure 3). La forme triangulaire du connecteur mâle permet l’insertion dans toutes les directions à l'intérieur d'un arc de 90°.

Figure 3 : Un arc sur l’une des faces de la pièce s'encastre dans les encoches d’une autre face.

Figure 3 : Un arc sur l’une des faces de la pièce s'encastre dans les encoches d’une autre face.


Cette solution requiert un matériau ayant un degré de flexibilité suffisant pour permettre aux cliquets de bouger légèrement dans les encoches pendant l’assemblage et la séparation des pièces concourantes, tout en maintenant assez solidement pour éviter une séparation accidentelle.


Ayant résolu le problème des connecteurs, Jonathan Stapleton s’est ensuite attaqué aux problèmes de moulage. La division du bloc fini en deux moitiés, le dessus et le dessous, permettait de former les connecteurs par interaction entre les moitiés A et B du moule. Le dessous du connecteur mâle est formé par une protubérance à travers la paroi de la pièce de la moitié B du moule, qui rejoint la surface de la moitié A du moule. Comme on le constate à la Figure 4, cette configuration permet le moulage des connecteurs mâles sur les faces tant perpendiculaires qu'obliques par rapport au sens d’ouverture du moule. Les connecteurs femelles sont formés de manière similaire à partir de "l'intérieur" de la pièce par des protubérances de la moitié B du moule qui se ferment contre la surface de la moitié A du moule.

Figure 4 : Les parois des extrémités des encoches suivent le sens de l'ouverture du moule plutôt que le contour des connecteurs mâles concourants et permettent la formation de toutes les encoches dans un moule simple sans tiroir.

Figure 4 : Les parois des extrémités des encoches suivent le sens de l'ouverture du moule plutôt que le contour des connecteurs mâles concourants et permettent la formation de toutes les encoches dans un moule simple sans tiroir.


Le concepteur a réalisé que si le design des connecteurs femelles suivait les contours des connecteurs mâles, ceux des faces obliques représenteraient des contre-dépouilles. Il a résolu ce problème en alignant les surfaces potentiellement problématiques de ces connecteurs avec le sens d’ouverture du moule (voir Figure 4). Étant donné que l’ajustement avec serrage est obtenu lorsque les cliquets du connecteur femelle s’accrochent à la boucle du connecteur mâle, cette solution n'a pas entravé la fonction des connecteurs.


La conception de la pièce a été finalisée en plusieurs étapes. Après la modélisation en CAO et un prototypage en bois, Jonathan Stapleton a reconnu que la seule méthode de prototypage susceptible de confirmer réellement la moulabilité était le moulage par injection. La première série de prototypes injectés par Protomold indiquait la nécessité de quelques modifications de conception mineures. Fort heureusement, les modifications nécessaires impliquaient l'augmentation des dimensions de certaines géométries (en ajoutant du plastique). Il était donc possible de modifier le premier moule plutôt que d’en fabriquer un nouveau. Le produit final a été fabriqué sous licence par un fabricant de jouets et il est maintenant commercialisé. Quant au concepteur il a déposé une demande de brevet pour les connecteurs.