SCIENCES INDUSTRIELLES POUR L INGÉNIEUR CI-1 page 1/10 DS1- Exercice 1 : Ladarvision 4000 Excimer Laser System (Extrait ENS PSI 2004) Microscope du chirurgien Ordinateur de contrôle Tête du patient Table accueillant le patient L objet de cette étude est d analyser fonctionnellement la Ladarvision 4000 réalisée par les laboratoires ALCON et commercialisé dans le monde entier. Ce système permet de corriger, entre autre, des défauts de myopie. Le schéma ci-contre permet d exprimer le besoin caractérisé par le patient. Q1 : comment s appelle ce type de diagramme. Q2 : Proposer plusieurs produits commercialisés qui satisfassent un patient. Présentation de la myopie : Un œil normal (schéma 1) est un œil pour lequel la cornée forme sur la rétine l image qui est transmise au cerveau par le nerf optique. La cornée se comporte donc comme une lentille dont la fonction est de former l image de l objet regardé sur la rétine. Un œil myope est un œil trop «long» (schéma 2). La conséquence de ce défaut est de former l image de l objet regardé devant la rétine et non sur la rétine. De ce fait, le nerf optique transmet une image floue au cerveau.
SCIENCES INDUSTRIELLES POUR L INGÉNIEUR CI-1 page 2/10 Correction de la myopie par la Ladarvision : La solution retenue par les concepteurs de la Ladarvision, pour corriger les défauts de vision dus à la myopie, est de modifier la courbure de la cornée pour former l image de l objet regardé sur la rétine. Pour réaliser cette fonction, la technologie choisie est un laser excimer (laser à ultraviolet utilisant les gaz fluorine et argon) qui envoie un faisceau lumineux froid sur la cornée. Ce laser, en brûlant les tissus cornéens, permet d enlever un volume de matière qui modifie la courbure de la cornée. Deux modes opératoires peuvent être utilisés pour réaliser cette opération : soit la cornée est traitée directement en surface au laser excimer (méthode PRK), soit elle est traitée dans son épaisseur après découpe d une fine lamelle (méthode LASIK). Mode opératoire appelé LASIK : La LASIK (LAser in-situ Keratomileusis) consiste successivement à découper une très fine lamelle cornéenne superficielle (appelée capot) à l aide d un rabot (appelé Microkératome), à traiter la cornée dans son épaisseur en enlevant un volume de matière (schéma 3) avec le laser excimer, puis à réappliquer le capot sur la surface de la cornée. Ce mode opératoire se décompose en 5 étapes : 1. un anneau de succion, placé sur l œil, l immobilise et guide le microkératome pendant la découpe d une fine lamelle cornéenne de 160 m d épaisseur, l épaisseur totale de la cornée étant de 600 m environ (schéma 3). 2. l ensemble microkératome/anneau de succion est retiré de la cornée. 3. le capot est soulevé (schéma 4) mais il reste solidaire de la cornée car la découpe n a pas été complète : on réalise ainsi une charnière. 4. le «surfaçage» au laser commence alors (schéma 4) sur le stroma cornéen (partie centrale de la cornée). Le laser traite l œil en fonction des informations recueillies lors des examens préopératoires et qui ont été introduites par le chirurgien dans l ordinateur. 5. le capot (ou lamelle cornéenne) est replacé à sa position initiale (schéma 4) sans aucune suture. Deux à trois minutes plus tard, le capot est définitivement solidaire de la cornée grâce à un effet de pompe qui le maintient en place.
SCIENCES INDUSTRIELLES POUR L INGÉNIEUR CI-1 page 3/10 L analyse fonctionnelle du besoin (partielle) de l étape 4 du mode opératoire appelé LASIK est schématisé sur le diagramme figure 1 et caractérisé dans le tableau associé. Phase : traitement de la cornée au laser (étape 4 du mode opératoire) Q3 : Comment s appelle ce type de diagramme? Q4 : Dans quel document trouve-t-on ce type de tableau? Q5 : Exprimer et caractériser la fonction de service FS1. Fonctionnement de la Ladarvision pendant l étape 4 : Le schéma donné en page suivante (figure 2) présente l architecture de la Ladarvision 4000. Le traitement de la cornée, lors de l étape 4 du mode opératoire, est réalisé en balayant la surface à opérer par des tirs successifs (figure 3) avec un laser excimer dont les caractéristiques sont les suivantes : Longueur d onde : 193nm, Fréquence des tirs : 62,5 Hz, Diamètre du faisceau : 0,8mm, Volume matière en levé par tir : environ 500 m 3 Précision des tirs : 0,25 m C est un calculateur (doté d un logiciel adéquat) qui, en fonction du traitement à réaliser définit l algorithme des tirs c'est-à-dire l ensemble des points définissant le surfaçage de la cornée. Le déplacement du faisceau du laser, en fonction de cet algorithme, est réalisé par la translation de deux miroirs qui sont guidés par rapport au bâti de la machine : La translation du miroir ASSYx pour le déplacement du faisceau suivant l axe ( O 0, x 0) La translation du miroir ASSYy pour le déplacement du faisceau suivant l axe ( O 0, y 0) Avec ( O 0, x0, y0) un repère lié au bâti de la machine. L œil ne pouvant pas rester parfaitement immobile pendant le traitement de la cornée (de l ordre de 1 à 2 minutes) et comte-tenu des précisions requises pour les tirs, le système utilise un radar qui mesure les mouvements de l œil afin d ajuster les tirs du laser excimer. Ce radar utilise 4 faisceaux laser de longueur d onde 905nm qui forment un carré dont le diamètre du cercle circonscrit est égal au diamètre de la pupille. Si un faisceau traverse la pupille alors il est réfléchi sur la rétine (figure 6) et son intensité de retour est mesurée grâce à un récepteur APD. Par contre, si un faisceau traverse l iris il ne sera pas réfléchi.
SCIENCES INDUSTRIELLES POUR L INGÉNIEUR CI-1 page 4/10 En fonction des 4 intensités mesurées par le récepteur APD, le système détermine les mouvements de l œil et ajuste son tir à l aide de deux miroirs : Le miroir AZIM, pour les déplacements suivant l axe ( O 0, x 0) Le miroir ELEV, pour les déplacements suivant l axe ( O 0, y 0) Ces deux miroirs sont dans des plans différents. Ils sont guidés en rotation par rapport au bâti : ce sont leurs rotations respectives qui génèrent le déplacement du faisceau laser. Q6 : Compléter le diagramme FAST (sur document réponse 1), en précisant les solutions retenues.
SCIENCES INDUSTRIELLES POUR L INGÉNIEUR CI-1 page 5/10 Les diagrammes SADT niveau A-0 et A0 relatifs à l étape 4 sont donnés ci-dessous (figure 4 et 5) : Q7 : Compléter le diagramme SADT niveau A2 (sur document réponse 2).
SCIENCES INDUSTRIELLES POUR L INGÉNIEUR CI-1 page 6/10 DS1- Exercice 2 : La technologie HSD du véhicule hybride TOYOTA PRIUS (Centrale Supelec PSI 2007) Introduction Dans le contexte actuel d économie des énergies fossiles et de réduction des émissions de gaz nocifs, le système de propulsion hybride constitue une alternative intéressante à la propulsion classique par moteur thermique seul car il permet de réduire la consommation. La spécificité de la solution retenue sur la Prius consiste à : Récupérer l énergie du véhicule lors du freinage, Exploiter le moteur thermique à son rendement optimal. Photo 1 Architecture du système hybride HSD TOYOTA Comme le montre le dessin la figure 1, la technologie hybride de TOYOTA, nommée HSD (Hybrid Synergy Drive) associe un moteur thermique à essence et sa transmission, à deux machines électriques et une batterie de puissance. Le schéma de principe ci-contre et la figure 1 mettent en évidence les deux machines électriques (le moteur électrique et la génératrice) reliées au moteur thermique par réducteur de vitesse à train épicycloïdal. A partir de la position de la pédale d accélérateur et de la vitesse du véhicule, le calculateur détermine la vitesse de rotation optimale du moteur thermique et la consigne d ouverture du papillon des gaz. La puissance en sortie du moteur thermique est transmise, grâce à un train épicycloïdal, à la chaîne silencieuse et à la génératrice. Un asservissement en vitesse de la génératrice permet de contrôler la vitesse de rotation du moteur thermique. Le répartiteur de puissance gère les échanges de puissance électrique entre la génératrice, le moteur électrique et la batterie. Le moteur électrique entraîne la chaîne silencieuse, seul ou en complément du moteur thermique. Il récupère également l énergie cinétique ou potentielle du véhicule lors des phases de ralentissement. Les chaînes d énergie et d information, figure 2, permettent de percevoir l organisation des différents composants du HSD. Les fonctions des capteurs relatifs à l enfoncement de la pédale de frein, au sélecteur de marche et à la température de l eau du moteur thermique seront développées ultérieurement. Figure 1
SCIENCES INDUSTRIELLES POUR L INGÉNIEUR CI-1 page 7/10 Figure 2 Chaîne d information (partie supérieure) et Chaîne d énergie (partie inférieure) Q8 : Proposer un diagramme SADT A-0 du système HSD (sur copie). Caractérisation des fonctions de service en phase d utilisation Le Cahier des Charges, tableau 1, caractérise les fonctions de services du système HSD. Figure 3
SCIENCES INDUSTRIELLES POUR L INGÉNIEUR CI-1 page 8/10 Fonctions de service Critères Niveaux Réduction de la consommation par rapport aux véhicules traditionnels comparables 40 % Consommation en cycle mixte 4,3 l pour 100 km FS1 : permettre au combustible Vitesse maximale 170 km/h d entraîner le véhicule Temps d accélération de 0 à 100 km/h 10,9 s Temps d accélération de 50 à 80 km/h 4,4 s Puissance maximale du système hybride 110 kw à 85 km/h FS2 : respecter l environnement Réduction des émissions nocives de CO 2 40 % en dessous des normes européennes FS3 : être commandé par le conducteur Positions du sélecteur PM/MA/MAr Enfoncements des Pédales Accélérateur/frein FS4 : s adapter à la vitesse du véhicule Vitesse de passage du mode tout électrique au mode hybride (démarrage du moteur 50 km/h thermique) Puissance maximale absorbée par les FS5 : alimenter en énergie les «consommateurs» d énergie composants auxiliaires (climatisation, direction assistée, confort, 4 kw maxi ) FS6 : récupérer l énergie cinétique du véhicule en freinage Pourcentage de l énergie cinétique récupérable Tableau 1 Remarque : la performance de consommation en cycle mixte est à comparer à une consommation de 7,7 l/ 100 km pour un véhicule à essence classique aux caractéristiques comparables. Q9 : Compléter le diagramme FAST partiel du document réponse de la fonction FS1, en précisant les solutions constructives ainsi que les fonctions techniques manquantes (sur document réponse n 3). 70 %
SCIENCES INDUSTRIELLES POUR L INGÉNIEUR CI-1 page 9/10 Document réponse n 1 Remarques : Les solutions constructives sont les réponses à la question 3. Les infos relatives aux fréquences ne sont pas à renseigner. Document réponse n 2
SCIENCES INDUSTRIELLES POUR L INGÉNIEUR CI-1 page 10/10 Document réponse n 3