Colloque UPSTI – Ecoles d’Ingénieurs 19-20 Mai 2005

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1 Les Sciences Industrielles pour l’Ingénieur Les supports et les compétences
Colloque UPSTI – Ecoles d’Ingénieurs 19-20 Mai 2005 Ecole des Mines de Paris

2 Compétences développées Organisation de la formation
Plan L’art de l’Ingénieur La place des S2I en CPGE La formation en CPGE Les objectifs en S2I Compétences développées Les différentes compétences Illustration sur des sujets de concours Les supports industrialisés en S2I Domaines d’application Pluri technologiques et complexes Organisation de la formation Cours, TD, TP, TIPE Plan Art de l’Ingénieur La place des S2I en CPGE Supports Compétences développées Organisation de la formation Conclusion

3 Les écoles d’ingénieur Les classes préparatoires
Plan Baccalauréat La formation des ingénieurs en 5 ans (Master) L’art de l’Ingénieur Les écoles d’ingénieur Les classes préparatoires Scientifiques Art de l’Ingénieur La place des S2I en CPGE Supports Socle commun scientifique et technique Compétences développées Organisation de la formation Formation répondant aux besoins de l’industrie et de la recherche Conclusion

4 Compétences développées Organisation de la formation
L’art de l’Ingénieur L’élève ingénieur, au terme de sa formation, doit être capable de s’intégrer dans un projet, voire de le diriger. Plan Exemple : Domaine automobile Art de l’Ingénieur Contexte : 15 constructeurs réalisent 85% de la production mondiale 75% de la valeur d’un véhicule est achetée à des sous-traitants Diversification des prestations proposées sur un rythme de renouvellement accéléré ( 7 ans) Contraintes normatives exigeantes : sécurité, pollution, bruit, recyclage La place des S2I en CPGE Supports Compétences développées Qualité Coût Délai Innovation Objectifs : Organisation de la formation Conclusion Sources : Renault (livre technocentre)

5 L’ingénieur travaille en équipe dans une organisation structurée.
L’art de l’Ingénieur L’ingénieur travaille en équipe dans une organisation structurée. Plan Directeur de Projet Gamme Marketing Ass. Qualité Produit Assistant Eco Logistique Achats Planning Général ApV Innovations Design Industrialisation Ingénierie Interface GMP et des chefs de projets Près de 1000 métiers recensés Métiers Art de l’Ingénieur La place des S2I en CPGE Le travail est jalonné. La validation par rapport au cahier des charges est continue. Supports Production en série Commercialisation Mise en œuvre en usine Réalisation des outillages Définition du produit et des moyens de production Phase préparatoire Le besoin est exprimé Le véhicule est défini La commercialisation est lancée Jalons (Objectif 24mois) Compétences développées ROP :(Réalisation outillage programme) ENVU :(entrée nouveau véhicule en usine) Organisation de la formation Conclusion Sources : Renault-ENS Cachan

6 Compétences développées Organisation de la formation
L’art de l’Ingénieur De l’initiative et de la créativité sont attendues. Les résultats de recherche garantissent un réservoir d’innovations. Plan Art de l’Ingénieur La place des S2I en CPGE Supports Multiplexage Compétences développées Alterno-démarreur Organisation de la formation Conclusion Combustion Véhicule hybride Sources : Hors Série Science et Vie

7 La place des S2I en CPGE Les Classes Préparatoires Scientifiques
Plan Sciences Humaines Pôle Scientifique Art de l’Ingénieur Physique/Chimie Maths S2I Langues Français La place des S2I en CPGE Supports OBJECTIFS («extraits des programmes des filières PSI-MP») « L'enseignement des S2I permet d'aborder avec méthode et rigueur l'analyse de réalisations industrielles. » Il s’appuie sur « l’acquisition des connaissances de bases » (systémiques et disciplinaires) et d’une « culture technologique ». Par l’analyse de « cas concrets complexes », les S2I participent à développer les « compétences » des futurs ingénieurs. Compétences développées Organisation de la formation Conclusion

8 Compétences développées Organisation de la formation
Les supports en S2I Systèmes manufacturés , répondant au besoin d’un client Plan Domaines d’application riches et variés Systèmes pluri technologiques et complexes Art de l’Ingénieur Médical Polytechnique 2004 Correction de la myopie par Ladarvision Production Ligne d’imprimerie Centrale Supélec 2003 La place des S2I en CPGE Supports Compétences développées Robot de pose de fibres optiques Mines-Ponts 2004 Robotique Transport,… Phare à correction de portée automatique CCP 2003 Organisation de la formation Conclusion

9 Compétences développées Organisation de la formation
Les supports en S2I Champs disciplinaires développés en S2I Plan Analyse système Art de l’Ingénieur Opérateur ou PC Chaîne d’Information : Systèmes combinatoires et séquentiels Systèmes Linéaires Continus Invariants Acquisition, Traitement et Communication Informations Liaisons PC La place des S2I en CPGE Supports Compétences développées Chaîne d’Énergie : Mécanique des solides indéformables Résistance des matériaux Conversion, Transmission de puissance Matière d’Œuvre + Valeur Ajoutée Organisation de la formation Conclusion

10 Compétences Développées en S2I
Problématique Plan A partir d’un système industriel existant , dont le cahier des charges fonctionnel est fourni, il s’agit d’être capable de : Art de l’Ingénieur COMMUNIQUER ANALYSER le système VALIDER Modéliser et formuler des hypothèses Calculer et/ou simuler, Interpréter, critiquer les résultats. La place des S2I en CPGE Cahier des charges Réel Ecart Hypothèses Modèles Supports Non Calculs Simulations Compétences développées En S2I, l’élève va mobiliser ses connaissances pour résoudre une problématique qui s’appuie sur le cahier des charges d’un système industriel existant La résolution de cette problématique suppose de mettre en œuvre les compétences lui permettant : D’analyser le système De valider des modèles ou des performances Notion de domaine de validité Domaine physique Domaine de simulation Tout en étant capable de Communiquer les résultats Organisation de la formation Validation Oui Conclusion IMAGINER des solutions

11 Compétences Développées en S2I
Analyser Plan S’approprier la complexité d’un système technique industrialisé. Art de l’Ingénieur La place des S2I en CPGE Installer des fibres optiques dans une canalisation souterraine Supports Repérer les points de raccordement Robot + caméra Mettre en place les brides de fixation Déplacer le robot Moto-réducteur + essieux Compétences développées Positionner le robot Asservissement de position Dans le champ de compétence ANALYSER, intéressons nous à l’activité élève consistant à s’approprier la complexité d’un système technique industrialisé En reprenant le robot poseur de fibres optiques, présenté par Sébastien précédemment, qui a pour fonction de mettre en place des gaines pour l’installation de fibres optiques de réseau dans les canalisations d’égoûts existantes, l’élève abordera la complexité du système en compétant le diagramme FAST correspondant à la fonction de service Cette approche fonctionnelle lui permet de mettre en place les fonctions techniques et les constituants mis en œuvre dans la réalisation de la fonction de service Organisation de la formation Fixer les gaines sur les brides Robot + tête de fixation Conclusion

12 Compétences Développées en S2I
Analyser CCP 2003 Plan Choisir un point de vue et utiliser un modèle de description adapté, normalisé. Art de l’Ingénieur La place des S2I en CPGE Supports Schéma cinématique partiel du système d’orientation du phare Compétences développées Toujours dans le champ de compétence ANALYSER, l’élève peut être amené à décoder un modèle de description adapté au point de vue de l’analyse, ici cinématique Prenons l’exemple du correcteur automatique de portée de phares automobiles installé sur la Mégane (CCP 2003) Ce système permet au conducteur de conserver le même champ de vision qu’elle soit l’assiette du véhicule. La correction envisagée ici est une correction statique corrigeant la portée des phares à partir de la modification à l’arrêt (par exemple due à un chargement ) de l’assiette du véhicule. A partir de photos extraites du modèle numérique 3D du système de correction de portée, l’élève doit être capable d’analyser le fonctionnement de ce système en coloriant, sur le schéma cinématique partiel d’orientation du phare, les pièces ayant un mouvement de translation (en bleu), et les pièces ayant un mouvement de rotation (en rouge), lors du réglage en fonctionnement automatique Organisation de la formation Conclusion

13 Compétences Développées en S2I
Valider Plan Au démarrage A l’arrêt Art de l’Ingénieur La place des S2I en CPGE CCS 2005 Extrait du cahier des charges norme X – Problématique Déterminer la relation entre l’inclinaison du conducteur et l’accélération du Segway® pour vérifier les performances du cahier des charges Supports Compétences développées Passons désormais au champ de compétences relatif à la validation d’un modèle ou d’une performance et appuyons nous sur le Segway, support du sujet CCCS 2005. Ce système, novateur et innovant est un moyen de transport urbain peu encombrant, peu polluant car électrique et très moderne. Il permet de parcourir des distances de l’ordre de 30 kms. La problématique consiste à déterminer ….. Le cahier des charges, établi selon la norme X (avec un bémol pour les flexibilités), met en avant les critères, et leur niveau associés, correspondants à la fonction FS1. Fonction de service Critère Niveau FS1 : Permettre au conducteur de se déplacer aisément dans un milieu urbain Vitesse 0-20 km/h Accélération et décélération en fonctionnement normal 1,5 m.s-2 Distance d’arrêt maximale 3 m à 20 km/h Manipulation intuitive Commande naturelles pour les réflexes humains Organisation de la formation Conclusion

14 Compétences Développées en S2I
Valider Plan Modéliser Hypothèses Déplacement en ligne droite Problème plan Linéarisation du modèle dynamique autour du point de fonctionnement Art de l’Ingénieur La place des S2I en CPGE Supports Compétences développées Pour résoudre cette problématique, l’étudiant sera amené à modéliser le comportement du système en formulant des hypothèses A partir du paramétrage, constitué essentiellement ici de l’angle d’inclinaison du chariot par rapport à la verticale et de l’angle d’inclinaison du conducteur par rapport à ce même chariot L’étudiant devra mettre en place le modèle dynamique de comportement du système et procéder à sa linéarisation autour d’un point de fonctionnement. A partir de ce modèle dynamique, dans lequel Cs, couple exercé par la sortie du motoi réducteur sur les roues est l’entrée, l’angle d’inclinaison est la perturbation et psi la sortie de ce modèle dynamique Régulation et Stabilisation Organisation de la formation Conclusion

15 Compétences Développées en S2I
Valider Plan Calculer Régulation parfaitement réalisée : simplification de la relation dynamique Art de l’Ingénieur Interpréter La place des S2I en CPGE Supports Compétences développées Cahier des Charges respecté Commande avant arrière identique à celle de la marche à pied En se plaçant dans un premier temps dans le cas où la régulation d’inclinaison du segway est très rapide, donc réalisée quasiment parfaitement réalisée, L’élève devra être capable de calculer la relation entre l’accélération du segway et l’inclinaison du conducteur Il devra alors utiliser et interpréter ce résultat pour valider les performances écrites dans le cahier des charges. Pour valider l’accélération en fonctionnement normal, ….. Afin de déterminer la distance d’arrêt en cas de freinage d’urgence, …. Conduite intuitive similaire à la marche à pieds, …. Organisation de la formation Conclusion

16 Compétences Développées en S2I
Valider Mines 2003 Funitel (télécabine à 2 câbles) Plan Problématique Etude du contrôle de la vitesse de déplacements entre les gares. Choix du système de commande afin de respecter les critères de stabilité, précision, tenue du moteur Art de l’Ingénieur La place des S2I en CPGE Supports Compétences développées Organisation de la formation Conclusion

17 Compétences Développées en S2I
Valider Mines 2003 Funitel (télécabine à 2 câbles) Plan Modéliser Hypothèses et données Modèles linéaires continus et invariants Art de l’Ingénieur Les équations de comportement du moteur à courant continu, des capteurs sont fournies. Les résultats sur une étude énergétique (Partie 1 du sujet) sont utilisés La place des S2I en CPGE Consigne de Vitesse (m/s) Correcteur Afficheur Capteur de vitesse + - Mesure de la vitesse (V) Image de la consigne (V) Ensemble mobile Vitesse des cabines (m/s) Tension de commande (V) Action du vent Supports Compétences développées Organisation de la formation Conclusion

18 Compétences Développées en S2I
Valider Mines 2003 Funitel (télécabine à 2 câbles) Plan Modéliser Hypothèses et données Modèles linéaires continus et invariants. Art de l’Ingénieur Les équations de comportement du moteur à courant continu, des capteurs sont fournies. Les résultats sur une étude énergétique (Partie 1 du sujet) sont utilisés. La place des S2I en CPGE Ensemble mobile Vitesse des cabines (m/s) Tension de commande (V) Action du vent Supports Vitesse du vent (m/s) kc kv + - Vitesse des cabines (m/s) Tension de commande (V) Compétences développées Organisation de la formation Conclusion

19 Compétences Développées en S2I
Valider Mines 2003 Funitel (télécabine à 2 câbles) Simuler Plan Art de l’Ingénieur La place des S2I en CPGE Interpréter/critiquer Supports Le système de commande est fixé vis à vis du cahier des charges, Les paramètres sont réglés afin de respecter au mieux les performances attendues. Compétences développées Organisation de la formation Conclusion

20 Compétences Développées en S2I
Imaginer Mines 2003 Funitel (télécabine à 2 câbles) Plan Proposer, en se limitant à une représentation schématique, des modifications de solutions constructives. Art de l’Ingénieur Problématique Concevoir un mouflage (enroulement de câble) conduisant à un seul câble. La place des S2I en CPGE Supports Compétences développées Solution avec un câble Solution avec deux câbles Organisation de la formation Analyse comparative Pas de probleme de synchronisation des vitesses des deux brins de cables Tension uniforme dans les deux brins de cables Conclusion

21 Organisation de la formation
Les enseignements sont organisés par centres d’intérêt Plan Cours Acquérir et structurer savoirs et savoir-faire Savoirs Compétences Solutions Techniques Art de l’Ingénieur La place des S2I en CPGE Supports Travaux Pratiques Travaux Dirigés Compétences développées Appliquer ces connaissances sur une problématique Un centre d’intérêt est constitué de savoirs (savoirs théoriques, savoirs faire et éventuellement savoirs être), de compétences et de solutions techniques. Une séquence d’enseignement est alors organisée en séances de cours permettant à l’étudiant d’acquérir et de structurer des savoirs théoriques et des savoirs faire, en séances de Travaux Dirigés, permettant de mettre en applications ces savoirs sur un problématique et enfin en travaux pratiques, que nous détaillerons juste après. Enfin, les TIPE, ont pour fonction de faire acquérir l’autre type de savoirs, les savoirs être, de lui faire découvrir les domaines industriels et de la recherche. Ils lui demandent aussi de faire preuve d’initiative, et de communiquer, via des exposés oraux. Organisation de la formation TIPE Acquérir des savoirs être Faire preuve d’initiative et de créativité Découvrir les domaines industriels et de la recherche Communiquer Conclusion

22 Organisation de la formation
Les travaux pratiques (30 à 50% du temps de la formation) Plan Lieu privilégié d’acquisition des compétences de la culture de solutions LES TP en S2I Activités élèves Analyser Modéliser Identifier Élaborer une démarche de validation d’un modèle Élaborer une démarche de vérification d’une performance Calculer ou simuler Interpréter des résultats Communiquer S’approprier Décrire Expérimenter Manipuler Démonter Mesurer Configurer Synthétiser Structurer Choisir le langage adapté Utiliser les schémas de la communication technique Valider Imaginer Imaginer de nouvelles solutions Imaginer des modifications de solutions Art de l’Ingénieur La place des S2I en CPGE Supports Compétences développées Les séances de travaux pratiques sont au cœur de la formation de l’étudiant de CPGE puisqu’elles représentent 30 à 50% du temps de la formation selon les filières. Les quatre champs de compétences (ANALYSER, VALIDER, IMAGINER et COMMUNIQUER) y sont présents, dans lesquels nous pouvons distinguer les activités élèves. Par exemple, élaborer des protocoles expérimentaux de mesures de réponses dans le domaine physique Organisation de la formation Conclusion

23 Organisation de la formation
Illustration : cordeuse de raquettes SP55 Plan Art de l’Ingénieur Berceau Mors de tirage Pinces Corde Pupitre de commande Berceau et pinces Mécanisme de tension La place des S2I en CPGE Supports Compétences développées Ce support est constitué de deux grands sous systèmes : Le système des pinces et du berceau Le mécanisme de tension Après avoir fixé la raquette rigidement sur le cadre, l’utilisateur corde passe la corde dans le mécanisme de tirage et la tend grace au mécanisme de mise en tension asservi en effort. Il passe au montant ou au travers suivant en maintenant la corde tendue grâce à une pince, en désactivant le mécanisme de tension puis en tournant le berceau pour envisager de tendre à nouveau le montant suivant. Il devra alors relâcher la pince qui a maintenue, tout au long du changement de montant, la tension préalablement imposée dans la corde par le mécanisme de tension. Organisation de la formation Conclusion

24 Organisation de la formation
Problématique Juger de la pertinence de la solution du maintien en tension de la corde Plan Fonction de service Critère Niveau Flexibilité FS5 : Maintenir la tension lors des changements de brins Lieu de maintien Plan du tamis aucune Maintien en tension 50 à 400 N +- 10% Art de l’Ingénieur La place des S2I en CPGE Analyser FS5 : Maintenir la tension FT51 : Serrer la corde Griffes Supports FT52 : Guider les pinces par rapport au bâti Liaisons Pinces/Bâti Compétences développées L’activité élève consistera à s’approprier…… Organisation de la formation FT53 : Bloquer les pinces par rapport au berceau Liaisons Pinces/Bâti Conclusion S’approprier la solution proposée

25 Organisation de la formation
Analyser Plan 200 N 150 N Elaborer un protocole expérimental Interpréter les résultats de mesure Conclure Art de l’Ingénieur Phase de mise en tension Phase de maintien en tension par la pince La place des S2I en CPGE Valider Supports Lieu de maintien Compétences développées Décrire la solution proposée en proposant des modèles de liaisons Acquérir une culture de solutions Interpréter les mobilités autorisées par le modèle Résultats Baisse de la tension lors du maintien à 150 N : baisse de 25% Organisation de la formation Conclusions Précision du CdCF non respectée Fidélité du maintien Tension réelle dans la corde constante mais plus faible que celle affichée Solution non pertinente Conclusion Champ de compétence VALIDER pour comprendre comment s’explique la baisse de tension constatée Acquérir une culture de solution autour de la liaison glissière par contact direct Mobilités permises permettent de respecter les critères liée au lieu de maintien

26 Organisation de la formation
Valider Plan Maintien en tension Art de l’Ingénieur H>Hmin D B A L 2 1 Hypothèses Liaison avec jeu Contacts ponctuels Lois de comportement de Coulomb La place des S2I en CPGE Supports Compétences développées Blocage lorsque l’effort est appliqué au dessus d’une hauteur minimale correspondant à la limite de glissement Valider des modèles Modèle avec jeu ce qui explique qu’après mise en place de la pince, un certain déplacement apparaît à l’origine de la baisse de tension dans la corde Organisation de la formation Formuler des hypothèses Modéliser et calculer Valider le modèle de comportement par rapport au réel Valider ou non la performance Conclusion

27 Organisation de la formation
Valider/imaginer Plan Blocage par arc-boutement Blocage mécanique sans jeux Amélioration de la pertinence de la solution Art de l’Ingénieur La place des S2I en CPGE Supports Compétences développées Faible précision (présence de jeux fonctionnels) Maniabilité difficile Faible coût Bonne précision (pas de jeux fonctionnels) Grande maniabilité Coût plus important Formulant des critères de pertinence Organisation de la formation Discuter de la pertinence de la modification d’une solution Conclusion

28 Les Écoles d’Ingénieur
Conclusion Systèmes industriels pluri technologiques complexes et innovants Cahier des charges Supports du laboratoire Mesures et réponses Modèles – Calculs Simulations Les Écoles d’Ingénieur Les Sciences Industrielles pour l’Ingénieur participent à la constitution du socle de savoirs et de compétences scientifiques et technologiques nécessaires pour les Écoles d’Ingénieur C P G E Plan Art de l’Ingénieur La place des S2I en CPGE Supports Compétences développées Nous espérons vous avoirs montré que les S2I en CPGE contribuent à la constitution d’un socle de savoirs et de compétences scientifiques et technologiques nécessaires pour les écoles d’ingénieurs. En prenant appui sur des systèmes industriels pluritechnologiques, complexes et innovants, associés à leur cahiers des charges, les S2I proposent à l’élève de valider des performances en élaborant des modèles de calculs et de simulations. Elles lui proposent aussi de valider ces modèles lors des activités de travaux pratiques sur les supports du laboratoires, en comparant : Les résultats du modèle Les réponses du système instrumenté Enfin, citons la dernière activité possible de validation de performances entre Les performance du CdCF Organisation de la formation Conclusion