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Le sujet de l'épreuve au format Doc - Eduscol

Épreuve E 4 : Conception préliminaire d'un système microtechnique ... Nota : la reconception du système manuel d'éjection des pointes, afin d'améliorer l' ergonomie, est hors étude. ... 500 cycles de pipetage ... Le microcontrôleur utilisé est un ATMEL Mega 169P ..... BTS CIM ? Micro pipette de laboratoire Repère TD 1.




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BTS – CONCEPTION et INDUSTRIALISATION en MICROTECHNIQUES

SESSION 2010


Épreuve E 4 : Conception préliminaire d’un système microtechnique
Durée : 4 heures
Coefficient : 2


AUCUN DOCUMENT AUTORISÉ

MOYENS DE CALCUL AUTORISÉS

Calculatrice de poches y compris les calculatrices programmables, alphanumériques ou à écran graphique à condition que leur fonctionnement soit autonome et qu’il ne soit pas fait usage d’imprimante (conformément à la circulaire 99-186 du 16 novembre 1999).

Le sujet comporte 3 dossiers :
Dossier technique (DT 1 à DT 12)
Dossier Travail Demandé (TD 1 à TD 7)
Dossier Documents Réponses (DR1 à DR6)
Les candidats rédigeront les réponses aux questions posées
sur les « documents réponses » prévus à cet effet ou sur feuille de copie.


Tous les documents réponses mêmes vierges sont à remettre en fin d’épreuve.






BTS – CONCEPTION et INDUSTRIALISATION en MICROTECHNIQUES

SESSION 2010


Épreuve E 4 : Conception préliminaire d’un système microtechnique
Durée : 4 heures
Coefficient : 2




MICRO-PIPETTE DE LABORATOIRE



DOSSIER TECHNIQUE


Ce dossier comporte 13 documents repérés

DT1 : Présentation
DT2 : Analyse fonctionnelle
DT3 : Chaîne fonctionnelle et organigramme de fonctionnement
DT4 : FAST
DT5 : Schémas cinématiques de la chaîne d’action
DT6 et DT7 : Documentation moteurs à courant continu
DT8 : Caractéristiques du microcontrôleur et des diodes
DT9 à DT11: Ponts en H disponibles pour la conception
DT12: Accumulateurs et packs accumulateurs disponibles pour la conception



Présentation d’une micro pipette mécanique




















La pipette est un matériel de laboratoire (analyse médicale, pharmaceutique, recherche, …) permettant d’aspirer ou de distribuer (action de pipetage) une dose calibrée de liquide qui peut être visqueux, infecté…
La pipette est un instrument de dosage de précision à part entière, elle doit être qualifiée, vérifiée ou étalonnée périodiquement.
Objectif de l’étude :
Evolution d’une pipette mécanique vers une pipette motorisée électronique.
La conception préliminaire portera :
Le système motorisé permettant le pipetage.
L’électronique embarquée permettant d’asservir le système.
Nota : la reconception du système manuel d’éjection des pointes, afin d’améliorer l’ergonomie, est hors étude.
Cette évolution permettra :
Action de pipetage indépendante de l’expérience de l’utilisateur.
Meilleure justesse et répétabilité







Analyse fonctionnelle (partielle)

Diagramme des inter-actions (méthode Apte)














FP1 : Permettre à l’utilisateur d’aspirer ou de distribuer une dose de liquide
FP2 : Permettre à l’utilisateur d’éjecter les pointes
FC1 : Alimenter en énergie
FC2 : Etre ergonomique
FC3 : S’adapter au milieu ambiant
FC4 : S’adapter à différents liquides

Caractérisation des fonctions de service

FonctionsCritèresPerformancesFP1Volume d’une dose
Vitesse de pipetage
Modes de fonctionnement
Purge
Erreur de justesse
Erreur de répétabilité
Température d’utilisation De 50 à 1200 µl, incrément 10 µl
3 vitesses programmées
Trois 
Oui
0.06 % à 0.9 %
0.05 % à 0.3 %
15° - 40°FP2ManœuvreManuelleFC1Autonomie
Tension d’alimentation500 cycles de pipetage
batterie rechargeable 6 VFC2Prise en main et manipulation
Manuel d’utilisationConfortable et aisée
OuiFC3EtanchéitéRéciproqueFC4CompatibilitéTout type de liquide
Nombre de produits prévus : 10 000 / an
Chaîne fonctionnelle











Organigramme de fonctionnement

Aspiration d’une dose de liquide Distribution d’une dose de liquide


































FAST


















































Schémas cinématiques de la chaîne d’action

Trois solutions sont envisagées pour le système de transformation de mouvement :













































Documentation moteurs à courant continu






Documentation moteur - suite






Caractéristiques du microcontrôleur
Le microcontrôleur utilisé est un ATMEL Mega 169P
Diodes disponibles pour la conception

Version CMS
QuantitéPrix HT pour paquet de 511,49 Euros51,27 Euros200,74 Euros500,53 Euros100 et plus0,47 EurosPonts en H disponibles pour la conception
Pont ZHB6718

Version CMS
QuantitéPrix unitaire HT1 – 244,71 Euros25 - 993,04 Euros100 - 9991,91 Euros1000 et plus1,61 Euros
Il est nécessaire d'adjoindre à ce pont quatre diodes (Cf. DT8) pour obtenir le fonctionnement désiré.
Pont SI9986
Version CMS
QuantitéPrix unitaire HT1 – 93,83 Euros10 – 99 3,45 Euros100 - 2493,09 Euros250 - 4992,80 Euros500 et plus2,38 Euros
Pont à base de transistors discrets
Pont à base de 2 transistors NPN Zetex BCX68 et 2 transistors PNP Zetex BCX69

Pour le PNP Zetex BCX69Pour le NPN Zetex BCX68QuantitéPrix unitaire HTQuantitéPrix unitaire HT5 - 200,27 Euros5 - 200,47 Euros25 - 950,186 Euros25 - 950,30 Euros100 - 2450,158 Euros100 - 2450,193 Euros250 - 9950,151 Euros250 - 9950,161 Euros1000 et plus0,144 Euros1000 et plus0,134 EurosIl est nécessaire d'adjoindre à ce pont quatre diodes (Cf. DT8) pour obtenir le fonctionnement désiré.
Accumulateurs disponibles pour la conception

Packs accumulateurs disponibles pour la conception

BTS – CONCEPTION et INDUSTRIALISATION en MICROTECHNIQUES

SESSION 2010


Épreuve E 4 : Conception préliminaire d’un système microtechnique
Durée : 4 heures
Coéfficient : 2


MICRO-PIPETTE DE LABORATOIRE


DOSSIER TRAVAIL DEMANDÉ

Temps conseillé

Lecture du sujet : 30 min
Etude de la fonction FP1
Activité 1 : 15 min
Activité 2 : 25 min
Activité 3 : 20 min
Activité 4 : 15 min
Activité 5 : 20 min
Activité 6 : 20 min
Activité 7 : 20 min
Activité 8 : 15 min
Activité 9 : 20 min

Etude de la fonction FC1
Activité 10 : 20 min
Activité 11 : 20 min



Etude de la fonction FP1 Permettre à l’utilisateur d’aspirer ou de distribuer une dose de liquide
FT 13 – Activité 1 : Choix du système de transformation du mouvement
Données
Déplacement maximal du piston L = 34 mm (pipetage de 1200 µl)
L’aspiration ou la distribution de liquide se fait par incrément de 10 µl (10 mm3)
Pour la solution 2, le pas de la vis sera de 0.5 mm
Le contrôle du moteur s’effectue par l’intermédiaire du capteur
Question : Entre les trois solutions proposées pour réaliser le système de transformation de mouvement, laquelle est la plus pertinente ? Compléter le tableau de décision du document réponse.
Répondre sur le document réponse DR1
FT 11 - Activité 2 : Choix du moteur
Données
Des expériences ont permis de connaître l’effort résistant pour manœuvrer le piston dû à l’étanchéité nécessaire entre le corps et le piston pour assurer un bon pipetage.
Système de transformation de mouvement retenu : système vis - écrou














Question : En prenant en compte le rapport de transmission du réducteur et la vitesse de rotation de la vis, déterminer la fréquence de rotation du moteur, notée Nm.
Répondre sur Copie
Question : Déterminer le couple moteur, noté Cm.
Répondre sur Copie
Question : Choisir un moteur parmi ceux proposés dans les documents techniques.
Répondre sur Copie
FT2 - Activité 3 : Contrôler le sens de rotation du moteur
Il est nécessaire de commander le moteur dans les deux sens de rotation, une première étude a permis de choisir une structure de type « pont en H » à transistors qui sera commandée par le microcontrôleur.
Données
On supposera que notre moteur sera alimenté sous une tension de 6V et qu'il consommera au maximum un courant de 130mA.
On envisage une série de 5000 produits.
On estime le coût d’étude horaire à 60 ¬ .
On donne les temps d étude pour chaque solution :
ZHB6718 : 3 heures
SI9986 : 1 heure
BCX68 et BCX69 : 8 heures

On fait l hypothèse que les différences d encombrement sont négligeables et que les coût de fabrication des cartes électroniques sont quasi identiques.
Question : En s'aidant des caractéristiques électriques du microcontrôleur, justifier la nécessité d'interfacer le moteur au microcontrôleur par l'intermédiaire d'un pont en H à transistors.
Répondre sur Copie
Question : Choisir la solution la mieux adaptée prenant en compte les critères suivants :
Performances électriques
Coût
Répondre sur Copie
FT21 - Activité 4 : Commander le moteur
Au niveau du microcontrôleur on prévoit d'utiliser quatre sorties logiques pour la commande du pont en H. Les signaux des quatre sorties seront nommés respectivement A, B, C et D. En fonction du sens de rotation désiré ces signaux devront prendre les états logiques donnés dans le tableau ci-dessous:
Sens horaireSens anti-horaireA01B10C01D10Question : En s'aidant de ce tableau, compléter sur le Document DR1 les liaisons entre le microcontrôleur et le pont en H.
Répondre sur le document réponse DR1
FT31 - Activité 5 : Conception du système de détection de la position du piston
Pour déterminer le volume aspiré ou distribué, il faut détecter la position du piston. La détection est réalisée par un capteur angulaire de position.
Une première étude a permis de choisir une solution basée sur une roue avec x lamelles axiales associée avec un réflecteur. Cet ensemble est en sortie du réducteur.
Un capteur optique à réflexion est fixé sur la carte électronique afin de transmettre les informations au microcontrôleur.


Capteur angulaire de position :








Une entrée logique du microcontrôleur (signal POS_ROUE) est utilisée pour récupérer l'information issue du capteur optique à réflexion.
Question : Compléter l’extrait de schéma structurel du Document DR2 afin d'obtenir un niveau logique haut quand le capteur est face à une partie non-réfléchissante de la roue et un niveau logique bas quand le capteur est face à une partie réfléchissante.
Répondre sur le document réponse DR2

Sachant que l'on désire pouvoir distribuer une quantité de liquide de 50µl à 1200µl par incrément de 10µl, on souhaite définir l'angle de rotation minimal de la roue. La tolérance acceptée sur les 10 µl est de 1,8 µl. Connaissant cette angle on pourra en déduire le nombre de fenêtres présentes sur la roue.
Données
1,8µl = 1,8 mm3
Pas de la vis : p = 0.5 mm
Rayon intérieur du corps de pompe : R = 3,35 mm
Définition d’une fenêtre : elle est composée d’un secteur opaque et d’un secteur réfléchissant. Les deux sont de géométrie identique.



Questions : Déterminer le déplacement du piston correspondant à l’aspiration ou à la distribution de 1.8 mm3 de liquide.
Déterminer l’angle de rotation minimal de la roue.
En déduire le nombre de fenêtres.
Répondre sur Copie

FT4 - Activité 6 : Conception d’un système permettant de ne pas altérer la dose distribuée
L’arrêt de la distribution est réalisé par la mise hors tension du moteur et le blocage de la chaîne cinématique au niveau du capteur angulaire de position.
Le capteur angulaire de position est celui déterminé dans l’activité précédente.
Le système de blocage est un électroaimant miniature.

Problème posée :
Lors d’essai sur une maquette, il a été constaté le problème suivant :
Le réducteur continue de tourner et provoque la détérioration du système de blocage par obstacle.
Question : Quel système mécanique faut-il interposer dans la chaîne de transmission de mouvement et à quel niveau de celle-ci afin d’annuler le problème évoqué précédemment ?
Répondre sur Copie
Question : Faites un schéma technologique montrant la constitution de la solution proposée.
Répondre sur Copie

FT1 - Activité 7 : Recherche d’une solution pour la liaison piston - cylindre
Question : Concevoir à main levée la liaison glissière Piston – Cylindre de la pompe du schéma cinématique retenu.
Nota : Le candidat veillera à représenter sa conception de la façon la plus compréhensible possible. A cet effet, toute vue supplémentaire pourra être ajoutée.
Répondre sur le document réponse DR3



FT1 - Activité 8 : Conception de la liaison rotule
Données
Schéma cinématique retenu
La liaison rotule est réalisée par un roulement à une rangée de billes à contact radial
Roulement : d = ( 4 mm, D = ( 9 mm, B = 2.5 mm

Question : Concevoir à main levée la liaison rotule entre la vis et le réflecteur. Ce dernier est l’élément fixe de la conception.
Nota : Le candidat veillera à représenter sa conception de la de la façon la plus compréhensible possible. A cet effet, toute vue supplémentaire pourra être ajoutée.
Répondre sur le document réponse DR4

FT32 - Activité 9 : Gestion de la purge automatique
En dehors du clavier de sélection des vitesses d'aspiration et de distribution du volume, nous prévoyons l'ajout d'une touche Start qui déclenche toutes les opérations mécaniques: aspiration et distribution de liquide. Lors d'une aspiration, la pipette aspire toujours un volume supérieur (d'environ 20µl) à celui programmé afin d'assurer un volume de distribution correct. En fin de distribution, la pipette peut purger automatiquement ou pas le surplus restant. Ce choix se fait à l'aide de la touche Start.

Question : En s'aidant de l’extrait de schéma structurel de câblage de la touche Start donné ci-dessous, compléter le tableau du document réponse DR5 indiquant le niveau logique du signal START quand la touche est enfoncée et quand elle est relâchée.
Répondre sur le document réponse DR5


Un cycle d'aspiration et distribution se déroule de la manière suivante:
l'utilisateur appuie puis relâche la touche Start: aspiration du volume programmé (augmenté de 20µl);
l'utilisateur appuie à nouveau sur la touche Start: distribution du volume programmé;
si à la fin de la distribution la touche Start est relâchée, la pipette effectue la purge du volume en surplus, sinon elle attend que la touche Start soit relâchée pour effectuer la purge.
Question : Compléter l'organigramme de gestion d'un cycle donné en Document DR5.
Répondre sur le document réponse DR5

Etude de la fonction FC1 (Alimenter en énergie)
FT6 - Activité 10 : Choix des accumulateurs
Nous voulons pouvoir assurer une autonomie d’une journée avec recharge en fin de cette journée d’utilisation. Une journée d’utilisation correspond à 500 cycles de pipetage (un cycle = une aspiration + une distribution avec purge comprise).
Un cycle type présentera un temps d'aspiration de 3s et un temps de distribution purge comprise d'une durée de 3s.
Données
L'électronique (afficheur, microcontrôleur, etc.) consomme un courant moyen de 3mA;
Le moteur consomme en moyenne durant un cycle 60mA;
L'électroaimant utilisé pour bloquer ou débloquer la roue codeuse consomme 80mA en mode déblocage.
Question : Calculer la capacité nominale des accumulateurs nécessaire pour assurer l’autonomie désirée.
Répondre sur Copie
Question : Choisir en justifiant le nombre et le type d'accumulateurs.
Répondre sur Copie
Les accumulateurs choisis sont directement disponibles chez le constructeur sous forme de « pack ».
Un pack d’accumulateurs est un assemblage de plusieurs accumulateurs formant ainsi un seul élément, parfois appelé bloc, présentant une seule borne positive et une seule borne négative. L’utilisation d’un pack simplifie l’intégration de la source d’énergie électrique dans de nombreux appareils.

Question : Choisir le pack d'accumulateurs.
Répondre sur Copie
FT72 - Activité11 : Accéder facilement au bloc accus
Données
La recharge des accumulateurs se fait par l’intermédiaire d’un connecteur extérieur, donc sans ouverture de la trappe.
La trappe est utile pour changer le bloc accus.
Forme générale du boîtier accueillant la trappe. Des modifications « légères » sont permises hors les zones réservées.










Question : Concevoir à main levée la trappe recouvrant les accumulateurs.
Nota : Le candidat veillera à représenter sa conception de la de la façon la plus compréhensible possible. A cet effet, toute vue supplémentaire pourra être ajoutée.
Répondre sur le document réponse DR6

BTS – CONCEPTION et INDUSTRIALISATION en MICROTECHNIQUES


SESSION 2010


Épreuve E4
Durée : 4 heures
Coéfficient : 2




MICRO-PIPETTE DE LABORATOIRE



DOSSIER DOCUMENTS RÉPONSES


Ce dossier comporte documents repérés

DR1 : Choix chaîne cinématique et Liaisons pont H
DR2 : microcontrôleur et capteur optique
DR3 : Liaison glissière
DR4 : Liaison rotule
DR5 : Etat logique du signal Start et organigramme
DR6 : Conception de la trappe




1) Choix de la chaîne cinématique
Noter de 1 à 3 chaque critère pour chaque solution
1 : peu favorable, 2 : favorable, 3 : trés favorable

CritèresSolution 1Solution 2Solution 3EnconbrementRésolutionComplexitéTotal
Encombrement : prendre en compte la course du piston .....
Résolution: prise en compte de la précision du déplacement pour obtenir un incrément de 10 µl
Complexité: nombre de pièces par exemple...

Solution retenue et pourquoi? :







7 ) Liaisons entre microcontrôleur et pont en H






8) Compléter l’extrait de schéma structurel























12) Concevoir à main levée la liaison glissière Piston – Cylindre de la pompe



























13) Concevoir à main levée la liaison rotule entre la vis et le réflecteur.

Ech : 6 :1





















14) En s'aidant de l’extrait de schéma structurel de câblage…

Etat touche StartEnfoncéeRelâchéeEtat logique signal START

15) Compléter l'organigramme de gestion d'un cycle…


































19) Concevoir à main levée la trappe recouvrant les accus.





















































Conception préliminaire d’un produit microtechnique Dossier technique



BTS CIM – Micropipette de laboratoire repère DT  PAGE 12



















Conception préliminaire d’un produit microtechnique Dossier travail demandé



BTS CIM – Micro pipette de laboratoire Repère TD  PAGE 7







Conception préliminaire d’un produit microtechnique Document réponse









Conception préliminaire d’un produit microtechnique Document réponse



Conception préliminaire d’un produit microtechnique Document réponse










Course piston : L= 34 mm
Durée : t= 2 s
Effort sur le piston : F= 6 N

Pas de la vis : p= 0.5 mm
Rendement (2 : 0.25

Pignon moteur : Z1= 13
Roue : Z2= 35
Rendement (1 : 0.95

Piston de la pompe

Système Vis - Ecrou

Système de blocage

Capteur de position angulaire

Réducteur

Moteur
à courant continu

BTS CIM – Micro pipette de laboratoire Repère DR2

Corps de pompe



Solution 1 : système pignon - crémaillère

Solution 3 : came à rainure

Solution 2 : système vis - écrou

Capteur

Capteur

Capteur

Corps de pompe

Connecteur

Trappe

Logement

FT72 : Accéder facilement

FT71 : Se mettre en place

FT7 : Permettre le remplacement

FT6 : Connecter les accus à la carte

FC1 : Alimenter en énergie

µcontrôleur
Programme

FT32 : Gérer la purge du surplus

FT31 : Détecter la position du piston

Capteur de position

FT3 : Contrôler le volume aspiré ou distribué

µcontrôleur
Programme

Système de blocage

FT42 : Arrêter le moteur

FT4 : Figer la position du piston

FT41 : Bloquer la chaîne

Système de
transformation

FT13 : Transformer mvt de rotation en mvt de translation

réducteur

FT12 : Réduire la vitesse

Moteur

FT11 : Transformer l’énergie électrique en énergie mécanique

FT1 : Déplacer le piston de la pompe

Boîtier

FT5 : Contenir les différents éléments

µcontrôleur
Programme

Pont en H
Transistors

FT21 : Commander le moteur

FT2 : Contrôler le sens de rotation du moteur

FP1 : Permettre à l’utilisateur d’aspirer ou de distribuer une dose de liquide

Nota :
La dose aspirée est supérieure à la dose programmée
La dose programmée étant distribuée, il reste du liquide dans la pompe. Le reliquat sera éjecté par une action ultérieure de l’utilisateur (purge).

Blocage de la chaîne
Arrêt du moteur

Dose distribuée
=
Dose programmée

Déblocage de la chaîne

Aspiration du liquide

Déplacement du piston

Mise en fonctionnement du moteur

non

oui

Accumulateurs

oui

Déblocage de la chaîne

Blocage de la chaîne
Arrêt du moteur

Distribution du liquide

Déplacement du piston

Mise en fonctionnement du moteur

non

Dose aspirée
=
Dose programmée

Débit Q
Pression P

V1
F1

(1
C1

Formes préliminaires des différents composants issus de la maquette d’essai




Vis

Piston

Joint

Corps de pompe




roue

Emplacement pour conception de la trappe

Zone non modifiable,
Réservé pour d’autres fonctions

(1
C1

(m
Cm

Piston de la pompe

Système de transformation Rotation en Translation

Système de blocage

Capteur de position angulaire

Réducteur

Moteur
à courant continu

Pointes

Milieu Ambiant

FP2

FC3

Emplacement pour modification boîtier


FC2

FC1

FC4

FP1

Énergie

Roue

Roue codeuse

Réflecteur

Vis

Vis

Aspiration
volume+20µl








( 5.64

Utilisateur

Liquide

Micro Pipette

FT8 : Charger les accumulateurs

Pointe
(embout de distribution ou d’aspiration)

Lecture du volume réglé
sur affichage numérique

Ejecteur de pointe

Piston





Emplacement trappe

Trous pour passage de vis maintenant les deux parties du boîtier

Formes préliminaires du corps inférieur du boîtier issu de la maquette d’essai




réflecteur

Purge

Lecture
START

Fin

Début

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Æï%¤$dNÆÿ$a$B$„`„a$3¤Repère DR1

BTS CIM – Micro pipette de laboratoire Repère DR3

BTS CIM – Micro pipette de laboratoire Repère DR5

BTS CIM – Micro pipette de laboratoire Repère DR6

…..

…..

…..

Vue dessus réducteur

Vue face
Système + pompe

Piston

Piston

…..

…..

…..

…..

…..

FT81 : Connecter au chargeur

Connecteur

Roue dentée

Piston

BTS CIM – Micro pipette de laboratoire Repère DR4


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