Production de seringues, bac biotechnologies Métropole 09/ 2017.


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PARTIE A : étude du besoin et choix de la matière plastique
Dans l’entreprise, chaque nouveau marché s’accompagne de recherches sur le domaine d’application du produit afin d’être le plus performant lors de la conception de celui-ci.
Le responsable du projet veut ainsi comprendre le fonctionnement de la scintigraphie osseuse. En effet, il ne connaît pas précisément la différence entre toutes les sortes d’imageries médicales (la radiologie qui utilise les rayons X, la scintigraphie qui utilise les rayons gamma etc.) et il veut savoir quel produit va contenir la seringue.
A.1 Qu’est-ce qu’une scintigraphie ?
Données utiles pour cette partie :
constante de Planck h = 6,63.10-34 J.s ; célérité de la lumière dans le vide c = 3,00.108 m.s-1.
A.1.1 Placer les domaines du visible, des rayons X, des infrarouges et des rayons gamma ainsi que les longueurs d’ondes manquantes sur le document.
A.1.2 Calculer les énergies correspondantes aux graduations extrêmes (10 pm et 1 m) et les écrire, sous forme scientifique, sur l’axe du document.
E = h c / l = 6,63 10-34 x 3 108 / (10-11)=1,99 10-14 J.
A.1.3 Orienter cet axe (document réponse 1 à rendre avec la copie) dans le sens des énergies croissantes.

A.1.4 Expliquer alors pourquoi les patients ne doivent pas être exposés trop longtemps aux rayonnements gamma.
Les rayons gammas sont ionisants ; ils provoquent des dégats sur les cellules vivantes. ( Brûlures, cancers, mutations génétiques )
A.1.5 Donner deux arguments qui justifient que le technétium 99m est le marqueur le plus utilisé en scintigraphie.
- émission d’énergie proche du pic de sensibilité des caméras ;
-durée de demi-vie suffisamment courte pour ne pas irradier trop longtemps le patient (mais assez longue pour effectuer l’examen).

A.2 Le radioélément
Pour la scintigraphie osseuse, on utilise souvent le "technétium 99m" qui est un produit radioactif issu de la désintégration du "molybdène 99". On s'intéresse dans cette partie à l'obtention du "technétium 99" par désintégration radioactive.
Pour information : le "technétium 99m" est un état excité du "technétium 99".
A.2.1 Citer les deux types de radioactivité autres que celles indiquées sur le document A4. Vous préciserez la nature des particules émises lors de ces rayonnements.
Radioactivité de type alpha : émission d'un noyau d'hélium.
Radioactivité de type béta plus : émission d'un positon.
A.2.2 Dans la nature, on trouve différents types de molybdène autres que le "molybdène 99" notés 9242Mo ,  9442Mo 9542Mo . Comment nomme-t-on ces différents types d'atomes de molybdène ?
Ces noyaux ne différant que par leurs nombres de neutrons sont isotopes.
A.2.3 Écrire l’équation de la désintégration du "molybdène 99" ( 9942Mo ) en "technétium 99m" ( 9943Tc).
9942Mo ---> 9943Tc* +0-1e.

A.2.4 Compléter l’équation de désexcitation par radioactivité gamma du technétium 99m  (l’étoile * sur le symbole du technétium correspond à l’état excité).
9943Tc* ---> 9943Tc +00g.
A.2.5 Expliquer ce qu’est une durée de demi-vie t1/2 et placer la sur le graphique d’activité radioactive en expliquant votre démarche.
La durée de demi-vie est la durée au bout de laquelle l'activité initiale est divisée par deux.

A.2.6 Expliquer pourquoi il est possible d'éliminer le "technétium 99m" en local (dans le centre
de scintigraphie) au bout de 2,5 jours.
2,5 jours = 2,5 x24 h = 60 h soit 10 demi-vies.
Au bout de 10 demi-vies, l'activité résiduelle est très faible.
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A.3 Choix du matériau
L’entreprise ayant déjà produit des seringues quelques années auparavant, les techniciens savent quel type de plastique on peut utiliser : le polyéthylène (PE) ou le polypropylène (PP). Le fait que le produit à injecter soit radioactif n’a aucune incidence sur le choix du plastique. Par contre, il faudra que cette seringue soit entourée d’un blindage, qui est une barrière aux rayons gamma.
A.3.1 Le PE et le PP sont qualifiés de « thermoplastiques ». Que signifie ce terme ?
Thermoplastique : matière qui se ramollit d'une façon répétée lorsqu'elle est chauffée au-dessus d'une certaine température, mais qui, au-dessous, redevient dure. Une telle matière conservera de manière réversible sa thermoplasticité initiale.
A.3.2 Ces thermoplastiques étant inflammables, quelles sont les précautions à prendre lors de la production de ces seringues ?
Travailler loin de toute flamme
A.3.3 Pourquoi le plomb est-il très utilisé pour le blindage et pourquoi essaie-t-on de le remplacer par le tungstène ?
Le plomb comme le tunstène absorbent les rayons gamma. Le tunstène étant plus dense que le plomb,  des épaisseurs plus faibles de tungstène peuvent être utilisées. De plus le plom est toxique pour l'environnement et son recyclage est couteux.

PARTIE B : création de l’outil de travail
L’entreprise dispose d’une presse à injecter qu’il faut régler afin que la matière remplisse convenablement le moule à seringues. Afin de contrôler la force à appliquer sur le vérin d’injection, on mesure la pression dans le moule.
Le responsable du projet envisage alors d’investir dans un capteur de pression, mais aussi dans un bras de robot qui permettra de déplacer une série de 24 seringues d’un point à un autre et ce, le plus rapidement possible.
B.1 Mesure de la pression par un capteur piézoélectrique
La piézoélectricité est la propriété que possèdent certains corps de se polariser électriquement sous l’action d’une contrainte mécanique. On se propose de vérifier si le capteur choisi est bien adapté aux mesures à effectuer. Données utiles sur le capteur.
Gamme de pression absolue 1 ... 1000 bar ; Précision ±0,1 % ; témpérature d'utilisation : -40 ... +150 °C.
B.1.1 Indiquer les grandeurs d’entrée et de sortie de capteur.
Pression en entrée et tension en sortie.
B.1.2 Expliquer la différence entre les valeurs absolue et relative de pression.
La pression absolue  est la pression par rapport à la pression zéro dans du vide.
. La
pression relative est la pression par rapport à la pression atmosphérique.
B.1.3 Le capteur relève une pression P = 305,6 bar dans le moule. Écrire un encadrement de cette valeur en tenant compte de la précision du capteur.
±0,1 % correspond à ±305,6 / 1000 soit ± 0,306 bar.
P = 305,6 ± 0,3 bar.




B.2 Choix entre les robots Ultrarapide 5 et Ultrarapide 10
Le bras a pour rôle de saisir une série de 24 seringues et de les placer sur les supports d’emballage. Après avoir saisi ces seringues, le bras du robot effectue un mouvement horizontal en ligne droite d’un point A vers un point B. A et B sont distants de 1,60 m.
Pour respecter les cadences de fabrication, il faut que le bras du robot parcoure la distance AB en moins de 0,50 s. On se propose de vérifier si le robot retenu permet de respecter cette contrainte.
Le nouveau modèle de bras Ultrarapide 10 est plus performant que l'Ultrarapide 5 pour un même prix. Le responsable du projet estime qu’il peut gagner du temps avec ce bras mais que la consommation d'énergie risque d'augmenter. Il va donc étudier les deux paramètres suivants :
- le gain de temps sur l’année que peut apporter le robot Ultrarapide 10 ;
- le gain financier que permet la plus faible consommation d'énergie du robot Ultrarapide 5.
B.2.1 Compléter le schéma  présentant un bilan énergétique du robot.

B.2.2 Estimation de la consommation d'énergie lors d'un déplacement AB.
Hypothèses :
-seules les variations d'énergie cinétique sont prises en compte,
- lors de la phase de ralentissement, le freinage est assuré par dissipation d'énergie,
- seule l'énergie consommée pendant la phase d'accélération est prise en compte.
Estimer la consommation d'énergie électrique lors d'un déplacement du bras de A vers B pour chaque robot.
B.3.3 Le gain de temps que permet le robot Ultrarapide 10 par rapport au Ultrarapide 5 lors d’un déplacement de A vers B est de 39 ms. Ces robots effectuent par ailleurs 7,3 millions de mouvements par an.
En vous appuyant sur les critères retenus par le responsable, vous écrirez un argumentaire permettant de choisir entre les deux robots. Pour cela vous estimerez le gain financier et le gain de temps entre les deux robots. Données : 1 kWh = 3,6.106 J Le kWh est facturé 0,12 €.


Robot ultrarapide 5
Robot ultrarapide 10
Accélération ( m s-2)
49
95
Vitesse atteinte (m/s) par le bras
4
4
Masse du bras (kg)
5
5
Variation d'énergie cinétique(J)
0,5 x5 x42 =40
0,5 x5 x42 =40
Rendement énergétique
0,51
0,43
Energie électrique consommée ( J)
par mouvement
40 / 0,51 ~78,4
40 / 0,43 ~93,0
Energie électrique consommée par an (kWh)
78,4 x7,3 106 / (3,6 106)
 ~159
93 x7,3 106 / (3,6 106)
 ~189
Coût (€)
159 x 0,12 ~19
189 x0,12 ~23
Gain de temps (heure)

0,039 x7,3 106 / 3600
~79

Le gain de temps est de l'ordre de 80 heures et  la perte financière est de l'ordre de 4 € en faveur du robot ultrarapide 10.










PARTIE C : suivi de la fabrication
Le suivi qualité du procédé de fabrication passe par un contrôle régulier des dimensions des seringues : une pièce sur 1000 est envoyée au centre de métrologie de l’entreprise. Pour cela, les seringues sont comptées lorsqu’elles se trouvent sur le tapis qui les conduit à vitesse constante vers le conditionnement. L’information sur le nombre de seringues est envoyée au centre de métrologie par ondes électromagnétiques selon un protocole "wifi".
C.1 Compteur de pièces.
Le comptage se fait automatiquement avec une fourche optique dont le rayonnement lumineux est interrompu lors du passage d’une seringue. Le
capteur délivre une tension u :
- en présence de rayonnement lumineux, la tension aux bornes du capteur est nulle,
- en l'absence de rayonnement, la tension vaut umax .
Un compteur vient ensuite dénombrer les fronts montants de la tension u délivrée par le capteur.

C.1.1 La représentation de la tension u au cours du temps a une allure rectangulaire. Expliquer pourquoi les "créneaux" formés ne sont pas exactement de durées égales et pourquoi ils sont séparés d’intervalles de temps différents.
Les seringues n'occupent pas la même position sur le tapis lors du passage sous la fourche. Les distances entre les seringues diffèrent.
C.1.2 Les données transmises par la fourche peuvent servir à estimer les dimensions des seringues. Évaluer la longueur d’une seringue grâce au chronogramme de la tension u. Donnée : le tapis avance à une vitesse v = 0,10 m.s-1.
0,75 x0,10 = 0,075 m = 7,5 cm.
C.1.3 Pourquoi ne peut-on pas faire confiance à ce résultat malgré la très faible dimension du diamètre de faisceau lumineux de la fourche optique (< 0,5 mm) ?
C.2 Contrôle des pièces
La salle de métrologie permet de contrôler les pièces et de savoir si elles sont conformes au cahier des charges.
La fiche de contrôle d'une seringue éditée par le laboratoire de métrologie contient les indications suivantes :
- diamètre extérieur : 21,28 mm ± 0,03 mm ;
- diamètre intérieur : 19,74 mm ± 0,03 mm.
Cette seringue est-elle conforme au cahier des charges (une réponse justifiée est attendue) ?
D'après le cahier des charges : diamètre intérieur du corps 19,7 ±0,1 mm.
soit un diamètre intérieur compris entre 19,6 et 19,8 mm.
19,74 mm ± 0,03 mm soit  un diamètre intérieur compris entre 19,71 et 19,77 mm. ( conforme).
D'après le cahier des charges : diamètre extérieur du corps 21,3 ±0,1 mm.
soit un diamètre extérieur compris entre 21,2 et 21,4 mm.
21,28 mm ± 0,03 mm soit  un diamètre extérieur compris entre 21,25 et 21,31 mm. ( conforme).
C.3 Chaine de communication wifi
L’atelier s’agrandit pour recevoir la nouvelle chaine de production et le responsable du projet remarque que la communication entre l’ordinateur qui traite les informations du capteur optique et le réseau se fait avec un débit insuffisant. Il décide d'investir dans un nouvel émetteur "wifi".
L’actuel émetteur "wifi" respecte la norme 802.11b et fournit une puissance de 100 mW.
On se reportera aux documents de la partie C pour répondre aux questions suivantes.
C.3.1 En vente sur internet on trouve des antennes de norme 802.11b bien plus puissantes que celle de l'actuel émetteur. Pourquoi le chef de projet ne fait-il pas un tel choix ?
La puissance maximale autorisée est de 100 mW.
C.3.2 Proposer une solution qui respecte la législation et offre un meilleur débit.
La norme 802.11g offre un haut débit sur une distance de 100 m. Elle a de plus une compatibilité ascendante avec la norme 802.11b.

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