Semaine numérique

Droit et Devoir Asbl

Ir. SAMAWI B.

23 – Avril 2013

Imprimantes 3D

Naissance

• Reprap a été initié en 2005 par A. Bowyer, un chercheur en ingénierie mécanique à l’université de Bath au Royaume Uni. Reprap signifie “replicating rapidprototyper”.

• L’objectif étant de réaliser, une imprimante 3D accessible à tous et capable de reproduire elle memeses propres pièces.

• Plus de 50% d’un kit pièces de la Reprap sont des pièces elles même fabriqués par une imprimante 3D. Le reste des composants, les “vitamines” étant sensés êtres des pièces courantes, simple à se procurer : tiges filetées, écrous, …

• Le coût annoncé de la réalisation de la machine est annoncé aux alentours de 300€. Avec cette capacité d’autoréplication, le faible coût et la licence libre, tout est réuni pour une diffusion large et rapide du concept.

Principe : FDM

• D’un point de vue technique, la Reprapfonctionne sur le principe de l’extrusion d’un filament de plastique ou FDM (Fuseddeposition Modeling).

• L’extrusion du filament de plastique n’est jamais qu’un pistolet à collet qui se déplace sur 3 axes. Ainsi, on peut déposer ce filament, par couche d’une épaisseur inférieure au millimètre, et construire progressivement des objets en 3D.

Principe : Extrusion

• L’extrusion du filament de plastique est faite par une tête chauffée (hotend) munie d’un petit trou (0.3mm à 0.5mm), dans laquelle un filament de plastique est poussée par un extrudeur.

• A la sortie un fil à peine plus gros que le trou, encore en fusion est déposé sur la pièce en cours de réalisation.

Matériaux utilisés• Les deux matériaux les plus utilisés sont l’ABS et le PLA.

• L’ABS, (Acrylonitrile butadiène styrène) est un polymère présentant une bonne tenue aux chocs,assez rigide et léger (Carrosserie Méhari, frigos, lego. Fusion 190 à 230 degrés.

• Le PLA (Acide Polylactique ou polilactide) est un polymère biodégradable produit par fermentation de l’amidon de mais. Il est plus rigide et plus cassant que l’abs. (pots de yaourts, emballage d’œufs, en chirurgie). Fusion 150 à 190 degréS.

• En fil de 1.75mm (Makerbot, Up!) ou 3mm (Reprap et dérivés) en bobines ou en couronnes de 100m (750g), 1Kg, 2,5Kg.

Eléments constitutifs

• Un lit chauffant (hot bed), qui accueille la pièce en cours d’impression. Température de chauffage 80 degrés pour le PLA et 110 degrés pour l’ABS

• Un mouvement sur 3 axes de la tête d’impression par rapport au lit (X/Y/Z).

• Sur la Reprap Prusa, le plateau se déplace en Y sous la tête, cette dernière se déplacant en X et Z au dessus du lit.

• Une motorisation faite par des moteurs pas à pas, un pour le X, un pour le Y, 2 pour le Z et un pour l’extrudeur.

• Transmission par courroie crantée (X/Y), vis (Z) ou engrenage (extrudeur)

Reprap Family

On distingue 2 grandes familles :

• Les Reprap, qui sont autorépliquantes

• Les Repstrap qui ne le sont pas et sur

fabriquées avec des procédés qui ne

reposent pas sur de l’impression 3D.

• Un nombre impressionnant de déclinaisons

http://reprap.org/mediawiki/images/e/ec/RFT

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Reprap Prusa

• En Janvier 2011 Adrian Prusa (Prague, enseignant) redessine la Reprap Mendel en vue de diviser le nombre de pièces par 2, de simplifier la fabrication et l’approvisionnement

• La Reprap Prusa Mendel est née.

• Une 2e itération 2 née début 2012

• Une itération 3 est en cours de développement

• Tout est publié en open hardware sur GitHub

Reprap Prusa

• L’itération 2, moins intégriste que la précédent, intègre des guides à billes (LM8UU) qui facilitent les mouvements du chariot (X) du bed (Y) et du Z, et remplacent les pièces de glissement en PLA

• Elle recommande également l’utilisation de courroies de 2.5mm et de poulies en métal au lieu des poulies imprimées

• Elle n’est pas encore largement distribuée, ou toutes les astuces de l’itération 2 ne sont pas présentes en même temps sur une même machine.

Quelques grandeurs

• L’impression des pièces d’une Prusa peut prendre plus d’une dizaine d’heures

• Ordre de grandeur des vitesses moteur: 4800 mm / min pour les X et Y, 200 mm/min pour le Z.

• Si on pousse un moteur pas à pas trop loin (couple ou vitesse trop importante), il perd des pas et donc devient inutilisable

• Plus le poids à déplacer est faible, moins il faudra de force pour le déplacer… et à puissance égale sur les moteurs, plus il sera possible d’aller vite…

• Un jeu sur de la mécanique… débouche sur de l’imprécision d’impression… même chose si manque de tension sur les courroies. Les ronds ne seront pas ronds, et le carrés pas carrés.

• Un coincement sur la mécanique, simule un poids plus important à déplacer, donc il faudra aller moins vite sinon il y aura des pertes de as.

L’électronique: principes

Nombreux contrôleurs différents, qui reposent tous sur les mêmes principes :

• Un cerveau, à base d’Arduino, même si l’on ne trouve pas toujours une véritable Arduino dedans

• S’alimente à partir d’une tension de 12V d’une alim de PC (récup) ou dédée

• 2 ou 3 entrées analogiques pour des capteurs de température (thermistances, ou plus rarement thermocouples K)

• 4 entrées digitales pour mettre des fins de coures mécaniques ou optiques.

• 3 sorties de puissances, sur des MOSFET, pour commander le chauffage de la tête, du bed et optionnellement une 2e tête ou un ventilo

• 4 à 5 contrôleurs de moteurs pas à pas, soit intégrés sur la carte (rare) soit sous forme de modules à enficher. Pololu (marque) ou dérivés (Stepstick).

• Une lecteur de carte SD peut être raccordé

• Un LCD peut être raccordé sur certaines cartes

L’électronique: RAMPS

• RepRap Arduino Mega Pololu Shield

• Probablement l’électronique la plus utilisée.

• Se plugge sur une arduino Mega

• CI pas fabricable avec des moyens amateur, mais achetable à faible cout

• Version 1.2, non CMS, soudable par un amateur, mais pas aussi extensible (pas de 2e extrudeur, etc..)

• Vesion 1.4, CMS, nécessite quelques compétences pour souder des CMS. Extensible avec un 2e

extrudeur.

• Utilise des contrôles moteur pollolu ou compatibles

• Kits achetables aisément (ebay, e-commerce)

• Ensembles complets disponibles de chine avec Arduino, Ramps 1.4, Pollolu

L’électronique: Generation 7• Carte électronique simple

face qui peut être gravée à l’anglaise (fraisage), réalisée à la maison, ou même câblée à la main.

• Processeur AT Mega 644 ou 1284

• Entrées pour une alimentation de PC

• « Best choice » for Diyers?

• Pas recommandé pour les non électroniciens.

L’électronique: Sanguinololu• Intègre le processeur

AT Mega 644 ou 1284

• Une seule carte

• 4 pollolu

• 3 sorties de puissance

• Facile à utiliser mais peu extensible.

• Disponible chez de nombreux fabriquants

L’électronique: Generation 6• Intègre le processeur AT

Mega 644 ou 1284

• Une seule carte

• 4 driver embarqués (non remplaçables)

• 3 sorties de puissance

• Facile à utiliser mais peu extensible.

• Disponible chez de plusieurs fabriquants

L’électronique: Printrboard

• Processeur AT90USB1286 ou AT90USB1287

• Tout est intégré sur la même carte, y compris les 4 drivers pas à pas. Ces derniers sont non remplaçables.

• 3 MOSFET (1 heatbed, 1 extrudeur, 1 ventilo)

• Alimentation ATX (PC)

• Micro sd intégrée

• Connecteurs Molex à faible cout.

• Cout: 120 USD

L’électronique: Autres cartes

D’autres solutions, en cours de développement :

• R2C2, qui est à base de processeur ARM7, s’alimente en 24V, et permet de mettre un laser pour faire de la découpe ou du marquage: http://reprap.org/wiki/R2C2_RepRap_Electronics

• Megatronics : monocarte avec Mega2560 intégrée, interface LCD, interface clavier, 5 X pollolu, carte SD, interface thermocouples, 4 sorties puissance MOSFET http://reprap.org/wiki/Megatronics_1.0

• Et encore bien d’autres : http://reprap.org/wiki/Comparison_of_Electronics

Architecture logicielle

• Un firmware ou micrologiciel sur la carte de commande. Il est paramétré (adapté) pour l’imprimante

• Un logiciel de pilotage de haut niveau, qui assure la supervision de l’imprimante 3D et fonctionne sur PC/Mac / Linux. Il prend en entrée des fichiers GCODE ou STL

• Un logiciel de tranchage (slicer), qui est appelé le plus souvent de façon transparente par le logiciel de pilotage, et convertit du STL en GCODE mais peut être également utilisé seul

• Des logiciels de CAO afin de conçevoir les pièces, et qui exportent du STL

Workflow

Design 3D avec logiciel de CAO

Openscad, Sketchup, Rhino,

Solidworks, etc.. Mais sortie STL!!!!

Logiciel de

commande

Trancheur (slicer)

Micrologiciel de

l’imprimante

Micrologiciel ou Firmware

• Sprinter par Klimenthttps://github.com/kliment/Sprinter

• Marlin par Erik Zalm : https://github.com/ErikZalm/Marlin

• Repetier (attention ne marche qu’avec le logiciel Repetier): https://github.com/repetier/Repetier-Firmware

• Autres firmwares sur http://reprap.org/wiki/Firmware

Pré requis pour le micrologiciel

• Environnement Arduino 0022 . Ne pas utiliser la dernière version (1.0) qui ne peut pas marcher. A télécharger sur http://www.arduino.cc

• Extentions éventuelles de l’environnement Arduino pour supporter le microprocesseur si AT Mega 644 (Sanguinololu, Gen5)

• Cable USB si interface USB, Cable ICSP sinon.

• Savoir ou se trouvent les fins de course (au début ou à la fin de chaque axe), leur type, le type de thermistance, connaître la résolution des contrôleurs pas à pas, etc..

Sprinter

• git clone https://github.com/kliment/Sprinter.gitpour récupérer le firmware

• Le placer dans le répertoire projets de arduino et l’ouvrir.

• Configurer le firmware avec le fichierconfiguration.h

• Programmer avec Arduino 0022

• Tester

Marlin

• git https://github.com/ErikZalm/Marlin.git

• Le placer dans le répertoire projets de

arduino et l’ouvrir.

• Configurer le firmware avec le fichier

configuration.h

• Programmer avec Arduino 0022

• Tester

Repetier

• git clone https://github.com/repetier/Repetier-Firmware.git

• Le placer dans le répertoire projets de arduino et l’ouvrir.

• Configurer le firmware avec le fichierconfiguration.h

• Programmer avec Arduino 0022

• Tester