COMMENT LE MATÉRIEL SPORTIF SUR MESURE EST DÉVELOPPÉ
Aknazar Arysbek, fondateur, ingénieur biomédical (MSc, Université Tufts). LinkedIn ↗
Supposons que vous entraîniez du lacrosse. L’entraînement se termine avec une centaine de balles éparpillées sur le terrain. Quelqu’un doit les ramasser. Vous avez une idée pour une machine qui le ferait. Cette note montre comment le développement du matériel sportif fait passer cette idée d’un croquis à un produit dans une boîte, avec les chiffres calculés à chaque étape.
Trois choses à régler d’abord
Chaque projet de fabrication d’équipements sportifs sur mesure commence par trois choses : des intentions, des contraintes et un système.
L’intention, c’est ce que vous voulez que le produit change. Pour notre machine, c’est simple. L’entraîneur devrait arrêter de passer la fin de chaque entraînement penché sur un champ de balles.
Les contraintes sont les limites dans lesquelles le produit doit vivre. Chacune fonctionne comme une clôture autour du design. Notre machine doit fonctionner sans moteur. Elle doit être actionnée par une seule personne. Elle doit tenir dans une voiture.
Le système est la méthode que vous répétez à chaque décision, et la nôtre est la méthode du résultat idéal. Avec elle, vous imaginez chaque solution possible fonctionnant parfaitement dans les limites des lois de la physique, puis vous la jugez. Si même la version parfaite ne vous satisfait pas, abandonnez-la ; si elle vous satisfait, déterminez comment y parvenir. Cette méthode élimine les mauvaises idées tant qu’elles coûtent encore peu.
Les six étapes du développement de produits sportifs
Tout matériel, du casque à la machine à ramasser les balles, passe par les mêmes six étapes. Chaque étape répond à une question.
Nous suivrons une seule machine à travers les six : un collecteur pour petites balles. Il a des pièces mobiles. Il touche le sol. Il se transporte en voiture. Il doit aussi coûter moins cher que l’alternative, à savoir un entraîneur adjoint fatigué muni d’un seau.
Nous allons examiner deux sports, la crosse et le squash. Les deux utilisent des petites balles. Les différences entre ces balles déterminent une grande partie du design.
Étape 1 : exigences
Avant de réaliser un dessin, vous notez ce que la machine doit faire. Cette liste contient les exigences. Les décisions ultérieures sont vérifiées en fonction de celle-ci.
Une bonne exigence comporte un chiffre. « Ramasse rapidement les balles » est un souhait. « Ramasse 100 balles en 10 minutes ou moins » est une exigence.
Commencez par la balle.
| Propriété | Balle de crosse | Balle de squash |
|---|---|---|
| Diamètre | 62,7 à 64,7 mm | 39,5 à 40,5 mm |
| Masse | 142 à 149 g | 23 à 25 g |
| Construction | Caoutchouc massif | Creux, deux moitiés en caoutchouc collées |
| Où elle se trouve | Herbe naturelle ou gazon synthétique, en extérieur | Parquet, entre quatre murs |
Les chiffres de la crosse proviennent de la norme de balle NOCSAE ND049. Elle fixe un poids de 5,0 à 5,25 oz et une circonférence de 7,75 à 8,0 pouces ; les valeurs métriques sont notre conversion. Les chiffres du squash sont ceux de la spécification de balle de World Squash, telle que publiée.
La balle de crosse est environ 1,6 fois plus large que la balle de squash. Elle est environ six fois plus lourde. Une machine conçue pour les deux est plus difficile à fabriquer que deux machines conçues pour une seule chacune.
Pour cet exemple, nous développons un collecteur de balles de crosse. Voici la liste.
| N° | Exigence | Méthode de vérification |
|---|---|---|
| R1 | Ramasse les balles de crosse sur herbe naturelle et sur gazon synthétique | Essai sur le terrain sur les deux surfaces |
| R2 | Collecte 100 balles en 10 minutes ou moins | Chronomètre, 100 balles réparties sur une surface de 30 m par 30 m |
| R3 | Contient au moins 100 balles | Test de remplissage |
| R4 | Une seule personne peut l’utiliser | Test sur le terrain avec un seul utilisateur |
| R5 | S’adapte au coffre d’une voiture de taille moyenne | À mesurer selon la taille de coffre indiquée |
| R6 | Se vide dans un seau à balles standard | Démonstration |
| R7 | Dure une saison d’utilisation en extérieur | Test de durabilité, défini à l’étape 4 |
| R8 | Se vend moins de $250 | Modèle de coût, étape 5 |
Les chiffres dans R2, R3, R5 et R8 sont des hypothèses pour cet exemple. Dans un projet réel, ils viennent de vous, la personne qui se tient sur le terrain chaque jour.
Maintenant, nous mettons des chiffres sur les exigences, et la liste des souhaits devient un problème d’ingénierie que vous pouvez résoudre au crayon.
Combien pèse une charge complète ?
Cent balles de crosse d’environ 145 g chacune pèsent environ 15 kg au total. C’est une pastèque géante. Le cadre, les roues et le manche doivent la porter. L’opérateur doit la pousser.
Quelle place occupent les balles ?
Une balle de crosse a un volume d’environ 135 cm³. Des balles versées dans un contenant laissent des vides entre elles, et un tas aléatoire de sphères ne remplit qu’environ 64 % de l’espace qu’il occupe (empilement compact aléatoire). Ainsi, 100 balles nécessitent environ 21 litres d’espace. C’est la taille d’un petit sac à dos.
À quelle vitesse faut-il marcher ?
Supposons que la machine ramasse chaque balle sur une bande aussi large qu’elle. Dégager une zone de 30 m sur 30 m avec une machine de 0,6 m de large signifie parcourir 1 500 m à pied. À une allure de marche supposée constante de 1,2 m/s, cela prend environ 21 minutes. Cela ne satisfait pas R2. Une machine de 1,2 m de large divise la marche par deux, soit environ 10 minutes. Mais une machine de 1,2 m doit se replier pour satisfaire R5.
Deux exigences s’affrontent donc. Ici, il existe une issue. Supposons que les balles soient regroupées en amas, comme cela peut arriver près du but après un exercice de tir. Vous marchez alors d’un amas à l’autre. Vous ne balayez pas chaque mètre carré. R2 peut tenir, mais seulement si son test répartit les balles comme elles se trouvent réellement. La méthode de test de R2 doit préciser comment.
La règle : comparez vos exigences les unes aux autres avant de les comparer au monde.
Étape 2 : concepts
Avec les exigences fixées, le concepteur esquisse toutes les façons raisonnables de les satisfaire. Ces croquis sont les concepts. Tous sont mis sur la table avant que quelqu’un ne choisisse un favori.
Notre collecteur compte quatre concepts. Chacun échoue quelque part. Le travail consiste à choisir l’échec que vous pouvez gérer.
| Concept | Fonctionnement | Coût de fabrication | Le point faible |
|---|---|---|---|
| A. Tube de ramassage | Un tube à lèvres souples, vendu comme ramasse-balles de crosse ; vous l’appuyez sur chaque balle | Le plus faible ; déjà vendu | Une balle à la fois ; échoue à R2 |
| B. Rouleau poussoir | Une cage de fils à ressort que l’on fait rouler sur le sol ; les balles s’enfoncent entre les fils et restent piégées à l’intérieur | Faible | L’espacement des fils ne convient qu’à une seule taille de balle |
| C. Balayeuse tractée | Un large rouleau tiré derrière un véhicule utilitaire, comme les ramasseuses de balles des practices de golf | Élevé | Nécessite un véhicule ; échoue à R4 et R5 |
| D. Robot | Une machine à roues repère les balles avec une caméra et se dirige vers elles | Le plus élevé | Batteries, logiciel et météo ; échoue à R8 |
Appliquez maintenant la méthode du résultat idéal. Imaginez chaque concept fonctionnant parfaitement.
Le tube de ramassage parfait ne soulève toujours qu’une balle à chaque fois qu’on se penche. Se pencher cent fois, c’est précisément le problème de départ. Abandonnez-le.
La balayeuse tractée parfaite a toujours besoin d’un véhicule sur le terrain. Une équipe qui n’en a pas ne peut pas l’utiliser. Abandonnez-la.
Le robot parfait trouve chaque balle. Il lui faut aussi une batterie, des moteurs, une caméra et un logiciel qui distingue une balle d’un pissenlit. Même dans sa forme parfaite, il ne respecte pas la limite de prix fixée en R8. Abandonnez-le.
Le rouleau poussoir parfait ramasse chaque balle en un seul passage, sans aucun moteur. Il passe. Le verdict est le concept B.
Remarquez pourquoi il l’a emporté. Parmi les concepts qui passent, B compte le moins de pièces. Chaque pièce que vous retirez est une pièce de moins à concevoir, à acheter ou à casser.
Le concept B est d’ailleurs déjà en vente, dans une taille plus petite. Le Kollectaball K-Field est un rouleau à cage de fils conçu pour les balles de crosse, de baseball, de hockey sur gazon et de cricket. Il contient jusqu’à 25 balles et est affiché à $99.95. Il prouve que le principe fonctionne sur une balle de crosse. Il échoue à R3 : cent balles obligent à le vider quatre fois. Le travail qui reste est une cage quatre fois plus grande. Regardez ce qui existe déjà en rayon avant d’aller plus loin dans un projet.
À l’intérieur du rouleau poussoir
La cage est un tambour fait de fils à ressort tendus entre deux disques d’extrémité. Quand le tambour roule sur une balle, deux fils voisins appuient dessus par le haut. La balle est plus large que l’écart entre eux. Les fils s’écartent donc, et la balle passe d’un coup. Puis les fils reprennent leur place. La balle est maintenant à l’intérieur et ne peut plus ressortir.
Tout dépend de l’écart. S’il est trop large, les balles ressortent. S’il est trop étroit, les fils ne peuvent pas se plier assez pour laisser entrer une balle. Un point de départ utile est un écart d’environ 80 % du diamètre de la balle. Pour une balle de crosse de 64 mm, cela fait environ 51 mm. Pour une balle de squash de 40 mm, environ 32 mm. Ces deux chiffres sont des hypothèses à tester à l’étape 3.
Maintenant, la balle de squash revient. Avec un espace aménagé pour la balle de crosse, la balle de squash passe droit à travers. Avec un espace aménagé pour la balle de squash, la balle de crosse ne rentre jamais. Une seule cage ne peut pas servir les deux sports. Un collecteur de balles de squash a besoin de sa propre cage, ou d’un cadre qui accepte des cages échangeables.
Le squash soulève une deuxième question. Un terrain peut retenir peut-être 30 balles à l’intérieur de quatre murs. Appliquez à nouveau le résultat idéal. Une machine parfaite fait gagner une minute ou deux à un coach de squash. Un panier peut déjà faire le travail. La machine la moins chère est celle que vous évitez de construire.
La règle : notez le plus petit et le plus grand objet que la machine doit manipuler avant de dessiner quoi que ce soit.
Étape 3 : preuve de concept
Une preuve de concept est un modèle approximatif conçu pour répondre à une question. L’idée centrale fonctionne-t-elle ?
Pour le rouleau poussoir, la question est précise. Les balles de crosse entrent-elles dans la cage et y restent-elles quand elle roule sur l’herbe ? La poignée, la peinture et le pliage peuvent attendre.
Le modèle peut se résumer à quelques fils à ressort cintrés autour de deux disques de contreplaqué. Faites-le rouler sur un carré d’herbe où sont posées dix balles. Comptez combien se retrouvent à l’intérieur. Puis modifiez l’écart de 2 mm et recommencez, sur une plage de 45 à 57 mm. Tracez le nombre de balles en fonction de l’écart. Le meilleur écart est celui où chaque balle entre et aucune ne ressort.
L’herbe ajoute un second test. Une balle de crosse s’enfonce dans l’herbe. La cage doit appuyer assez fort sur la balle pour la faire passer entre les fils avant qu’elle ne roule tout simplement plus loin. Cette poussée vient du poids du tambour. Un tambour trop léger saute par-dessus les balles dans l’herbe haute. Testez sur l’herbe la plus haute que la machine rencontrera.
C’est l’endroit du projet où se tromper coûte le moins cher. Une idée qui échoue ici coûte un peu de contreplaqué, une bobine de fil et quelques après-midis sur l’herbe. La même idée qui échoue une fois les moules usinés coûte des milliers.
Étape 4 : prototype d’ingénierie et tests
Une fois que l’idée fonctionne, le concepteur construit un prototype qui a l’apparence et le comportement du produit réel. Chaque pièce est d’abord dessinée dans un modèle numérique. Chaque dimension, chaque matériau et chaque fixation sont répertoriés.
Le prototype comporte cinq pièces principales. Chacune a sa propre question d’ingénierie.
| Pièce | Ce qu’elle fait | La question d’ingénierie |
|---|---|---|
| Cage | Retient les balles | Matériau et diamètre du fil, écart |
| Disques d’extrémité | Maintiennent les fils en place | Assez rigides pour garder un écart régulier sous 15 kg |
| Essieu et roues | Permettent à la cage de rouler | Roulements qui tolèrent l’herbe, la boue et la pluie |
| Cadre et poignée | Permettent à une personne de pousser | Hauteur de la poignée et pliage pour le coffre |
| Trappe de vidage | Libère les balles | S’ouvre sans outils et reste fermée pendant le roulage |
Prenons les fils comme exemple. Chaque balle qui entre en plie deux. Pliez un trombone dans un sens puis dans l’autre, et il casse vite. Le métal se fatigue sous des flexions répétées. Les ingénieurs appellent cela la fatigue.
Comptez donc les flexions. Supposons 100 balles par entraînement, cinq entraînements par semaine et une saison de 30 semaines. Cela fait 15 000 balles, et chaque balle plie deux fils. Un acier à ressort sollicité bien en dessous de ses limites supporte bien plus de flexions que cela. Les fils roulent aussi sur de l’herbe mouillée. Ils doivent être en acier inoxydable ou traités contre la rouille.
Le prototype est ensuite testé selon les exigences, ligne par ligne.
| Test | Méthode | Critère de réussite |
|---|---|---|
| Débit de ramassage (R2) | 100 balles en amas sur une surface de 30 m sur 30 m, un opérateur | 10 minutes ou moins |
| Capacité (R3) | Remplir jusqu’à ce que des balles tombent | 100 balles ou plus |
| Durabilité (R7) | Roulez la cage sur 15 000 balles sur le gazon ; chute depuis la hauteur du hayon arrière | Pas de fils cassés ni de pièces fissurées |
| Vidage (R6) | Basculer dans un seau standard | Toutes les balles sorties sans outils |
La plupart des prototypes échouent à au moins un test la première fois. C’est à cela que servent les tests. Chaque échec est consigné. La conception est modifiée. Puis le test est relancé. Prévoyez deux ou trois tours.
Étape 5 : conception pour la fabrication
Un prototype se construit à l’unité, avec ce que vous avez sous la main. Les usines fabriquent des produits par centaines ou par milliers. La conception pour la fabrication est l’étape où la conception évolue pour qu’une usine puisse la produire rapidement, à moindre coût et de manière identique à chaque fois.
Vous rencontrez ici le chiffre qui décide de la plupart des budgets matériels : l’outillage. L’outillage, ce sont les moules et les montages dont une usine a besoin avant de pouvoir fabriquer la première pièce. Vous le payez avant qu’une seule unité ne soit expédiée. Un moule pour une pièce en plastique coûte d’environ $1,500 pour un outil simple en aluminium à $100,000 pour un outil grand et complexe.
Le coût d’une unité est :
C est le coût d’une unité. N est le nombre d’unités fabriquées. T est le coût d’outillage, payé une seule fois. M est le matériau et les pièces par unité. L est la main-d’œuvre d’assemblage par unité.
Comparons deux façons de fabriquer les disques d’extrémité et les pièces du cadre du collecteur. La méthode 1 les imprime sur une imprimante 3D et les assemble à la main. Son outillage, c’est l’imprimante. La méthode 2 utilise des pièces moulées par injection. Tous les chiffres sont des hypothèses pour cet exemple, pas des devis.
| Méthode 1 : imprimé | Méthode 2 : moulé | |
|---|---|---|
| Outillage, T | $600 | $30,000 |
| Matériaux et pièces, M | $60 | $18 |
| Assemblage, L | $25 | $10 |
| Coût unitaire à 100 unités | $91 | $328 |
| Coût unitaire à 500 unités | $86 | $88 |
| Coût unitaire à 5 000 unités | $85 | $34 |
À 100 unités, chaque collecteur moulé porte $300 de moule. À 5 000 unités, le même moule ajoute $6. Les deux méthodes coûtent autant vers 516 unités : c’est la différence d’outillage de $29,400 divisée par les $57 que le moulage économise sur chaque unité.
Ainsi, la façon de fabriquer un produit dépend du nombre d’unités que vous comptez vendre. Une ligue qui a besoin de 50 collecteurs ne devrait pas acheter de moule. À 5 000 unités, l’impression coûte $51 de plus par collecteur que le moulage.
Voici aussi la réponse à une question fréquente : combien coûte la fabrication d’un prototype ? Le prototype lui-même est le petit montant. L’outillage qui suit est le facteur décisif.
Étape 6 : présérie et production
Avant la commande complète, l’usine fabrique un petit lot appelé présérie, généralement de 30 à 300 unités selon le procédé. La conception a été figée à l’étape 4. C’est maintenant l’usine qui est mise à l’épreuve. Les pièces s’assemblent-elles sur la ligne, et la centième unité est-elle identique à la première ? Même la boîte est vérifiée par rapport au produit.
Un problème découvert lors de la présérie coûte quelques unités. Le même problème découvert après expédition se trouve dans 5 000 cartons.
Puis la production commence. À partir de là, le travail consiste à vérifier. Les pièces sont inspectées à leur arrivée. Des unités finies sont testées au hasard. Chaque modification est consignée.
Limites de cet exemple
- Tous les coûts et l’objectif de prix de $250 sont des hypothèses choisies pour illustrer le calcul. Un vrai projet obtient de vrais devis.
- Le collecteur de balles de squash n’est pas développé au-delà du stade de concept.
- L’électronique, les logiciels et la certification de sécurité ne sont pas couverts. Un rouleau poussoir n’en a besoin d’aucun d’eux. Beaucoup de produits de sport ont besoin des trois.
Questions fréquentes
Ai-je besoin d’un brevet avant de parler à un concepteur ? Non. Un accord de confidentialité protège la conversation. Déposer ou non un brevet est une question distincte, à poser à un conseil en brevets.
Puis-je passer la preuve de concept ? Rarement. C’est l’étape la moins chère. Chaque étape ultérieure dépend de la réponse donnée.
Une seule machine doit-elle servir deux sports ? Pas au début. Construisez pour le sport dont le problème est le plus clair, puis adaptez.
Combien de temps dure tout le processus ? Cela peut prendre entre 2 mois et 2 ans. Cela dépend de vos besoins, de votre budget et de votre détermination.
Notre place
Sources : NOCSAE ND049-19, standard performance specification for newly manufactured lacrosse balls · Squash ball specification, as summarised by Wikipedia · Random close packing of spheres · Kollectaball K-Field ball collector · Protolabs: injection molding pricing · Xometry: injection molding cost · Fictiv: pilot production · StudioRed: product design cost · Cad Crowd: design and prototyping rates. Voir aussi : ce que coûte un prototype matériel · comment transformer une idée en produit.