IMA4 2018/2019 P12

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Sommaire


Présentation générale

  • Nom du projet : Recyclage plastique pour imprimante 3D
  • Résumé : Le but du projet est de réaliser une machine permettant de recycler a minima le PLA (ou ABS si possible) afin d'en faire un nouveau filament réutilisable.
  • Etudiants : DANJOU Corentin et MULON Pol
  • Encadrants : Alexandre Boé, Xavier Redon, Thomas Vantroys

Description

Alors que le nombre d’utilisateurs d’imprimantes 3D ne cesse d’augmenter, certains apprennent à leurs dépends les difficultés d’une impression réussie. Entre les chutes d’impression ratées et les déchets liés aux supports et raft d’impression, le recyclage plastique apparaît comme une nécessité absolue ! C’est pourquoi durant ces dernières années plusieurs fabricants se sont lancés sur ce marché en proposant à leurs utilisateurs de s’affranchir des contraintes liées à l’achat de bobines de filament grâce à des machines bien particulières : les extrudeurs de filament. Un extrudeur de filament est tout simplement une machine à fabriquer du filament pour imprimantes 3D. Son fonctionnement est assez simple : on verse des granulés de plastique d’un côté et l’extrudeur produit du filament au diamètre souhaité.

Mais quels sont les réels avantages d'utiliser un extrudeur a filament pour imprimantes 3D ?

  • Economique : le PLA et l’ABS sont moins onéreux sous forme de granulés que de filaments. Il est facile de se procurer sur internet des granulés de différents types de plastique.
  • Personnalisation : il est relativement facile de tester différents types de plastiques et diamètres pour obtenir le filament parfaitement adapté aux besoins de l'utilisateur.
  • Ecologique : il est possible d’utiliser des granulés produits avec du plastique recyclé, rendant ainsi l’impression 3D beaucoup plus écologique. Il est même possible de recycler ses propres déchets plastiques issus de précédentes impressions en utilisant une broyeuse plastique afin de produire des granulés qui seront ensuite transformés en filament.

Objectifs

Nous proposons alors de réaliser une machine permettant de recycler à minima le PLA (ABS si possible), composée :

  • d'une unité de broyage et de stockage des déchets plastique ;
  • d'une unité permettant de faire fondre le plastique à la température souhaitée ;
  • d'une unité de filage du plastique fondu, avec contrôle du diamètre du fil.

Afin de mener ce projet, nous avons décidé de découper notre travail en 3 différentes phases.

Conception mécanique :

  • Nous devons concevoir un châssis de machine capable de supporter les différents éléments de celle ci.
  • Nous devons aussi réaliser un système mécanique de broyage permettant d'obtenir, à partir des déchets de PLA, des copeaux de plastique de taille convenue qui pourront par la suite être transformés en fil.
  • Il nous faut aussi concevoir un système d'acheminement entre les différentes parties de notre projet, ceci fait à partir d'une vis sans fin.

Conception électronique :

  • Dans cette partie nous devons gérer les servomoteurs qui permettront d'entraîner la vis sans fin du système d'acheminement des copeaux.
  • Nous devons notamment aussi mettre en place un système de fonte du plastique ainsi que la régulation de la température de ce système à l'aide de capteurs de températures.
  • Pour la partie broyage nous devons concevoir un moteur et l'alimenter pour faire tourner les lames du broyeur.

Développement :

  • Nous devons, dans cette partie, programmer un microcontrôleur qui gérera la mise en marche et l'arrêt de la machine. Il gérera aussi l'ajustement de la température de fonte ainsi que la vitesse de rotation des lames du broyeur et de la vis sans fin.
  • Nous envisageons aussi de pouvoir contrôler le diamètre du fil voulu en sortit à l'aide du microcontrôleur ajustant la taille de l'ouverture de sortit.


  • Schémas des éléments de notre machine

  • Vue schématique de l'extruder de filament

  • Vue 3D de la broyeuse plastique

Analyse du projet

Positionnement par rapport à l'existant

Aujourd'hui plusieurs fabricants se sont lancés dans la conception d'extrudeur de filament. Cependant les produits restent encore assez chers et il faut avoir une utilisation intensive pour les rentabiliser. Il faut aussi une certaine expérience de l’impression 3D et des compétences techniques pour tirer le meilleur parti de ces machines. Il n’en reste pas moins que pour des utilisateurs avancés, des professionnels ou gérants de fablabs, l’investissement vaut la peine d’être étudié. En revanche il existe aussi des projets collaboratifs open source et gratuits permettant aux plus aguerris de fabriquer eux même leur propre extrudeur de filament. C'est dans cette même optique que nous allons réaliser notre projet en concevant une machine relativement simple, facile d'entretient et dont on pourra aisément changer les pièces défectueuses.

Analyse du premier concurrent

Original - Extrudeur de filament par Filabot

Filabot est une start-up basée dans l’état du Vermont aux Etats-Unis. Son fondateur Tyler McNaney a eu l’idée, en Décembre 2012, de recycler des déchets plastiques pour en faire du filament pour imprimantes 3D. Après une campagne Kick-starter couronnée de succès, la start-up se développe rapidement et vend aujourd’hui ses extrudeurs partout dans le monde. Leur premier modèle, le Filabot Original, coûte environ 850 € et leur modèle phare, le EX2, coûte lui environ 1920 € (il est aussi 5 fois plus rapide que l'Original !). La technologie Filabot permet d’obtenir un filament d’un diamètre constant avec une grande fiabilité, c’est pourquoi de nombreux grands noms de l’industrie, comme la NASA ou Siemens, ont choisi ces extrudeurs pour produire leur filament.

Analyse du second concurrent

Pour les utilisateurs avancés qui désirent réaliser leur propre extrudeur de filament, il existe plusieurs projets collaboratifs en open-source et gratuits. Voici 4 exemples de ces derniers facilement consultables sur internet :

3D printer filament factory
  • Plastic Bank Extruder v1.0
  • RecycleBot
  • 3D printer filament factory
  • Precious Plastic

Cependant nous avons retenu le projet 3D printer filament factory en tant que réel concurrent car il permet à l'aide de matériaux simples tels que le bois, le plastique, et quelques vis à recréer un extrudeur de filament. Le prototype décrit dans ce projet permet de recréer environ 1kg de filament par heure et il est estimé que pour 4 à 5 heures de fonctionnement pour la machine cela permettrait d'économiser 125 à 150$. Le coût de construction de la machine s'élève quant à lui entre 130 et 150$. Ce dernier pourrait donc nous concurrencer dans l'idée de concevoir et développer un concept "maker" pour ce type de machine.

Scénario d'usage du produit ou du concept envisagé

Pour le scénario d'usage replaçons tout d'abord le contexte; nous nous trouvons dans un fabricarium d'une école d'ingénieurs. Dans ce fabricarium se trouve plusieurs imprimantes 3D qui sont très utilisées par les élèves. Cependant il y a pas mal de déchets plastiques issus des impressions ratées ou des supports et des rafts d'impressions. Le gérant du fabricarium, que l'on va appeler le fab manager, ne sait pas quoi faire des ces déchets et cherche à s'en débarrasser. C'est alors que notre machine intervient ! Le fab manager peut alors récolter tous les déchets plastiques puis les insérer dans la broyeuse de la machine qui va alors produire des granulés. Une fois le plastique broyé, les granulés vont alors être transformés en filament à l'aide de l'extrudeuse. Le fab manager pourra donc récupérer le filament et le réutiliser pour les imprimantes 3D du fabricarium plutôt que de racheter des bobines de fil et ainsi économiser de l'argent.

Réponse à la question difficile

Question 1 - Comment quantifier et définir la vitesse de tirage du filament ?

La modélisation et la commande d'un procédé d'extrusion réactive sont très complexes et les équations sont explicités à travers ce mémoire : Mémoire sur l'extrusion réactive

Pour ce qui est de la quantification et la définition de la vitesse de tirage du filament, elle se fait selon le type de plastique utilisé, ainsi répertoriées dans le tableau ci-dessous avec les températures de fontes de ces mêmes plastiques.

  • Tableau de caractéristiques selon le type de plastique

  • Tableau de caractéristiques


Question 2 - Quelle est l'influence du diamètre d'ouverture variable sur la vitesse de tirage du filament ?

Suite à nos recherches, nous avons pu remarquer que la réalisation d'un embout à diamètre variable serait d'une complexité assez importante. En effet la réalisation d'un embout de type "diaphragme" poserait des problèmes d'étanchéité ou de résistance à la chaleur. Nous avons donc pris la décision de ne pas effectuer d'ouverture à taille variable.

Préparation du projet

Cahier des charges

Le cahier des charges est susceptible d'évoluer suite à la commande possible ou non de certaines pièces et matériaux qui constitueront notre machine et des technologies mises à notre disposition.

Périmètre

Dans une démarche à la fois orientée vers le développement durable mais également dans l'utilité réelle de notre réalisation, notre choix de projet s'est orienté vers ce dernier. De plus nous avons l'intention d'installer notre machine au Fabricarium de Polytech afin de pouvoir recycler les déchets plastiques et produire du filament.

Descriptions fonctionnelles des besoins

Broyer les chutes et les rafts d'impressions
Objectif Le but est d'obtenir à partir des chutes et rafts d'impressions des granulés de plastique suffisamment petits afin qu'ils puissent être facilement acheminés dans l'extrudeur et ne pas obstruer la machine.
Description Nous allons réaliser une broyeuse qui permettra de broyer le plastique et ainsi obtenir les granulés. La broyeuse sera composée de lame de différentes tailles tournantes autour d'un axe hexagonale afin d'exercer une certaine force sur le plastique qui sera ainsi broyé. Les granulés récupérés seront alors filtrés à l'aide d'un tamis.
Contraintes Les granulés obtenus doivent êtres d'environ 3 à 5 mm de diamètre.
Acheminer les granulés à travers la chambre de combustion
Objectif Le but est de mettre en place un système qui permettra aux granulés de transiter de la zone d'insertion des granulés jusqu'à la zone d'extrusion en passant par la chambre de combustion.
Description Nous allons utiliser un motoréducteur 12V qui contrôlera la rotation d'une vis sans fin qui permettra le parcours des granulés le long de l'axe principal de notre machine.
Contraintes Il est important de contrôler la vitesse de la vis sans fin.
Faire fondre les granulés de plastique
Objectif Le but est de faire fondre les granulés et d'obtenir une matière 'visqueuse' qui sera acheminée jusqu'à la buse de l'extrudeur .
Description Nous allons réaliser une chambre de combustion dans laquelle passeront les granulés de plastique. Ces derniers vont fondre et être acheminés jusqu'à la buse de la machine afin de sortir le filament qui refroidira à l'air ambiant.
Contraintes Les températures de fusion sont propres à chaque matériau utilisé. Pour le PLA elle est de 180° (+/- 10°) et pour l'ABS elle est de 200° (+/- 10°).
Alimenter électriquement notre machine
Objectif Le but est de limiter la consommation en énergie de notre machine.
Description Nous allons étudier les besoins pour l'alimentation et choisir les composants électroniques qui permettrons d'optimiser le circuit imprimé qui contrôlera l'ensemble de notre machine.
Contraintes /

Budget et délais

Nous avons un semestre pour réaliser ce projet. Quant à lui, le budget ne nous a toujours pas été communiqué.

Choix techniques : matériel et logiciel

Broyeur

Liste du matériel :

Ci-dessous vous pourrez retrouver la liste du matériel nécessaire à l'élaboration de notre broyeuse plastique. Attention cette liste n'est qu'à titre indicatif car nous ne savons pas quelles technologies sont à notre disposition (par exemple, une machine pour découper de l'acier). De plus les matériaux sont assez couteux, il faudrait essayer de trouver des alternatives pour chaque composants.

Éléments à découper en fonction de l'épaisseur de la tole d'acier

Élément constituant la machine

  • Tole en acier d'épaisseur 1mm
  • Tole en acier d'épaisseur 3mm
  • Tole en acier d'épaisseur 5mm
  • Tole en acier d'épaisseur 6mm
  • Barre héxagonale en acier de longueur 32cm
  • Profil d'angle en acier de taille 30x30x3mm (100cm)
  • Maille métallique 150x180x1,5mm

Partie Électronique

Choix techniques :

Notre broyeur est constitué uniquement de pièces métalliques car nous ne savons pas encore si un autre matériau pourra supporter les forces exercées par le couple moteur qui va broyer le plastique. Quant à elle, la partie électronique est assez simple, elle comporte simplement un switch qui permettra d'allumer ou éteindre le moteur et donc de mettre en route notre broyeuse.

Extrudeur

Liste du matériel :

Éléments constituants la machine


Partie électronique

Choix techniques :

Nous avons décidé de réaliser nous même le support de l'extrudeur à l'aide de l'imprimante 3D ainsi que l'entonnoir dans lequel seront versés les granulés. De plus nous allons réaliser nous même le circuit électronique qui permettra de contrôler la température, la vitesse du moteur et l'alimentation générale de la machine. Le tout sera installé dans un support rectangulaire en bois que nous fabriquerons à l'aide de la découpeuse laser.

La liste de matériel est susceptible d'évoluer durant le projet

Liste des tâches à effectuer

Calendrier prévisionnel

Réalisation du Projet

Feuille d'heures

Tâche Prélude Heures S1 Heures S2 Heures S3 Heures S4 Heures S5 + Vacances Heures S6 Heures S7 Heures S8 Heures S9 Heures S10 Heures S11 + Vacances Heures supplémentaires Total
Analyse du projet 12 6 4 2 1 25
Recherche de solutions techniques 4 6 3 2 2 3 2 2 24
Conception électronique 1 4 2 2 3 6 6 7 10 41
Conception mécanique 5 3 2 7 17
Modélisation 3D 5 3 (impression) 3 3 3 17
Phase de tests 3 3 2 3 3 14
Rédaction du wiki 6 3 2 2 3 2 2 3 2 2 2 4 5 38
Total de la semaine (heure) 18 13 13 11 13 12 11 13 9 11 11 14 27 176

Prologue

Notre projet consiste donc à réaliser deux machines : une broyeuse pour les chutes de PLA et un extrudeur de filament pour produire du filament réutilisable pour les imprimantes 3D du Fabricarium. Il y a donc une grosse partie conception mécanique dans ce projet et notamment au niveau de la partie broyeuse qui nécessite l'usinage de lames pour broyer le PLA. Nous avons donc décidé de nous concentrer tout d'abord sur la réalisation de l'extrudeur.

L'extrudeur comporte deux grosses parties :

  • Une partie électronique pour le contrôle des moteurs et la régulation du système en température.
  • Une partie mécanique qui consiste à designer le châssis et à déterminer quels matériaux et solutions nous allons utiliser.

Nous nous sommes donc répartis le travail en deux. Un de nous va travailler sur la partie électronique et l'autre sur la partie mécanique.

Semaine 1

Durant cette première semaine de projet, nous sommes concentré sur la recherche des solutions techniques que nous allons utiliser pour réaliser notre extrudeur de filament. Après de longues discussions avec notre tuteur de projet, plusieurs dilemmes et questions sont apparus. Ces derniers nécessitent donc d'être étudiés avec minutie car ils constituent des éléments clés dans la réalisation de notre projet.

Premier dilemme - Moteur à courant continu ou moteur pas à pas ?

Le principe de fonctionnement du moteur à courant continu est simple. Il est formé d'un stator qui crée un champ magnétique fixe. Grâce à ce champ magnétique, le rotor est alimenté à travers le système de contact balais - collecteur et le courant qui le traverse lui donne son mouvement de rotation. Cependant des perturbations peuvent faire varier la vitesse de rotation de notre moteur ce qui pourrait entraîner des perturbations dans la vitesse d'extrusion et des anomalies dans l'épaisseur du filament.

  • Schémas fonctionnels du moteur à courant continu

  • Schéma de fonctionnement du moteur à courant continu

  • Schéma équivalent du moteur à courant continu


Les moteurs pas à pas ne sont pas des moteurs très rapides (les plus rapides d'entre eux ne dépassant pas les 3000tr/min) mais se sont des moteurs à durée de vie très élevée. Ils sont notamment utilisés dans les dispositifs nécessitant un contrôle de vitesse ou de position en boucle ouverte. Cependant l'utilisation de ces moteurs doit faire l'objet d'une étude assez approfondie sur la masse à déplacer dans le cas de couples potentiellement très élevés.

  • Schémas fonctionnels du moteur pas à pas

  • Schéma de fonctionnement du moteur pas à pas

  • Schéma simplifié des pas d'un moteur pas à pas

Second dilemme - Mise en place d'un correcteur PID pour l'asservissement en température de l'extruder

Afin de s'assurer que notre PLA fond et donc qu'il n'obstrue pas la sortie du filament, il nous faut s'assurer que ce dernier est correctement chauffé, c'est à dire qu'il faut que la température dans notre tube de métal soit au moins de 180°C. Pour cela nous allons donc mettre en place un régulateur PID. Ce dernier sera donc constitué d'un Arduino qui sera capable de comparer la température dans notre tube à une consigne que nous définissons (ici 185°C) et d'ainsi être capable de contrôler le chauffage (allumer ou éteindre) afin d'obtenir la température de chauffe désirée dans le tube. Nous effectuerons donc les recherches suivantes :

  • Quel capteur de température allons nous utiliser ?
  • Quel élément permettra de convertir la température en une donnée exploitable pour l'Arduino ?

Semaine 2

Résolution du premier dilemme - Moteur à courant continu ou moteur pas à pas ?

Lors de la précédente séance nous nous étions demandé quel type de moteur était le plus adapté pour pouvoir entraîner notre vis sans fin. Suite à nos recherches nous avons pu constater qu'il nous fallait une vitesse de rotation assez peu élevée, aux alentours de 50 tours par minutes., cette vitesse n'est donc pas un facteur restrictif pour le choix du moteur. Nous avons donc vérifié les besoins en régulation et en précision de la vitesse de rotation de la vis. De ce fait nous avons pu mettre en évidence qu'une vitesse de rotation stable était optimale et permettait une meilleure extrusion du PLA, notre choix semble donc se porter vers le moteur pas à pas.

A la suite de ce premier choix et après discussion avec Monsieur Redon, il nous a fait découvrir les servomoteurs à rotation continue. Ces moteurs nous permettent un très bon compromis entre les deux moteurs vus précédemment. En effet, ceux-ci sont assez simples à réguler tout en mettant à disposition une précision de vitesse plus que suffisante pour ce qu'il nous faut. De plus nous avons pensé à rajouter un moteur en sortie de buse pour tirer le fil. C'est donc ce moteur qui permettra d'obtenir un diamètre de fil constant, il évitera aussi les potentiels bouchons qui auraient pu se former en bout de notre extrudeur.

Pour le choix de ce moteur en particulier en revanche, les servomoteurs à rotation continue ne sont pas assez précis en vitesse. En effet, une toute petite variation de vitesse de ce moteur impacterait grandement la qualité du fil avec un diamètre irrégulier, et donc fragiliserait ce dernier. Il est donc tout naturel que notre choix se tourne vers le moteur pas à pas dans cette situation.

Résolution du second dilemme - Mise en place d'un correcteur PID pour l'asservissement en température de l'extrudeur

Afin d'optimiser la régulation en température de notre extrudeur de filament, nous allons mettre en place un correcteur PID.

Matériel utile à la réalisation du PID :

  • Arduino Uno
  • Convertisseur MAX6675
  • Thermocouple K
  • Résistance 10 kOhms
  • Transistor IRFZ44N
  • Transistor S8050
  • Écran LCD 16x2

Principe de fonctionnement :

Un thermocouple est simplement formé de 2 fils métalliques différents soudés ensemble. Le type K comporte une jonction entre chromel (alliage nickel + chrome) et alumel (alliage nickel + aluminium + silicium). Une faible différence de potentiel électrique apparaît à la jonction sous l'effet de la température. Le signal est faible, typiquement 50 microV par degré, la réponse est non linéaire, et il faut une compensation de soudure froide (on mesure un écart de température entre deux jonctions, pas une température absolue).

Malgré ces inconvénients, le thermocouple est très intéressant car il est simple d'emploi, robuste à la chaleur, il couvre une très grande plage de mesure de température avec une forte précision.

On amplifie puis on convertit la mesure analogique en signal numérique, une liaison SPI permet de transmettre facilement à un micro contrôleur (Arduino) le résultat. Le module d'interface de conversion utilisé ici est un MAX6675, il assure l'amplification et la conversion sur 12 bits.

  • Thermocouple type K + Convertisseur MAX6675

  • Sonde thermocouple type K

  • Composant convertisseur MAX6675

  • GND -> Gnd masse Arduino
  • VCC -> Vcc arduino +5V
  • DO Data Output -> pin 4
  • CS Chip Select -> pin 5
  • CLK clock -> pin 6
  • Tableau des PINS du convertisseur MAX6675
  • Tableau des PINS du convertisseur MAX6675
  • Le bit 2, normalement à 0, passe à 1 si l'entrée thermocouple est ouverte, alarme possible en cas de rupture
  • Les bits 3 et 4 server à coder la résolution (souvent 0,25°)
  • Les bits 5 à 14 servent à coder la valeur de la température
  • Le bit 15 est à 0 car nous ne prenons pas en considération les températures négatives (Bit de poids fort)

Code Arduino correcteur PID :

Ci-dessous vous pouvez observer le code Arduino qui permettra de faire la régulation PID à partir des données analogiques reçues par le MAX6675. Le projet se divise en grandes parties. La première partie sert à initialiser les entrées et les sorties de l'Arduino ainsi que les variables des correcteurs P,I,D. Pour le moment ces variables sont choisies arbitrairement car ce ne sera qu'après une batterie de tests que nous pourrons déterminer la valeurs des correcteurs. Pour la seconde partie, elle constitue la fonction principale du programme qui effectue une boucle infinie. Tout d'abord nous lisons la température récupérée par le thermocouple K et nous la comparons avec la température de consigne initialisée précédemment; cela correspond donc à l'erreur de température. Nous appliquons ensuite les valeurs des correcteurs P, I et D. Puis on affiche sur le LCD les valeurs de la consigne et de la température lues et on envois la correction vers le chauffage. Enfin dans une troisième partie, on peut retrouver le code correspondant à la lecture des données correspondant à la température sur le MAX6675.

  • Code arduino
  • Code arduino (1ère partie)

  • Code arduino (2ème partie)

  • Code arduino (3ème partie)

Semaine 3

Durant cette troisième semaine de projet, nous avons tenté de déterminer les différents matériaux à utiliser et les dimensions de ces derniers afin de les commander et pouvoir commencer le montage de la machine. D'autre part nous avons commencé la réalisation de la carte électronique qui permettra le contrôle des moteurs et la régulation de la température.

On réalise le câblage du MAX6675.

Ensuite pour les moteurs pas à pas, on doit les utiliser avec les composants gérant la puissance. Tous les signaux sont tout ou rien et n’ont même pas besoin d’être des PWM.! Ce qui veut dire que les 4 broches de pilotage ont juste besoin d’être reliées à 4 broches numériques de la carte Arduino (2, 3, 4, 5 par exemple). Ce qui nous donne le schéma suivant.

  • Schematique Arduino du MAX6675

  • Schématique du MAX6675

Concernant le choix sur les deux moteurs relatifs à notre projet, nous avons donc pris la décision d'utiliser un servomoteur continu pour faire tourner notre foret ainsi qu'un moteur pas à pas pour tirer le fil en fin d'extrusion, ce qui nécessite un contrôle de la vitesse beaucoup plus précis. C'est choix vont donc naturellement impacter la réalisation de notre shield Arduino.

Semaine 4

Modélisation 3D de différentes parties de notre machine

Durant cette semaine nous avons réfléchi à la conception mécanique de notre machine et pour ceci nous avons modélisé différentes parties en 3D pour ensuite les imprimer. Les différentes parties modélisées sont l'enrouleur de fil en sortie de l'extrudeur, l'entonnoir d'entrée des copeaux ainsi qu'un support pour la bonne tenue du tube d'extrusion.

Tout d'abord, nous avons modélisé l'enrouleur de fil avec des dimensions permettant de l'insérer dans un moteur pas à pas de type Nema 17.

  • Design 3D de l'enrouleur

  • Vu du dessus

  • Vue de profil

Ensuite la deuxième pièce était l'entonnoir d'entrée des granulés de plastique, nous l'avons conçu de telle sorte qu'il puisse tenir autour du tube, avec en dessous une partie permettant le support de ce même tube.

  • Design 3D de l'entonnoir

  • Vu du dessus

  • Vue de face

Enfin la dernière pièce à concevoir a été un simple support. En effet nous avons remarqué que notre tube manquait de stabilité avec seulement un support sous l'entonnoir nous pensons donc à en rajouter un vers le milieu du tube.

  • Design 3D du support

  • Vu du dessus

  • Vue de face

Le dessous de notre support sera aussi positionné sous l'entonnoir pour plus de résistance dans le support du tube extrudeur.

Suite de la réalisation du schématique pour notre schield Arduino

Cette semaine nous avons également continué la réalisation du schématique du shield Arduino et nous avons attaqué la partie contrôleur du moteur pas à pas. En effet nous allons utiliser un moteur pas à pas pour la partie enrouleur du filament car comme vu précédemment, nous avons besoin d'un contrôle de la vitesse beaucoup plus précis. Nous avons également prévu un emplacement pour un moteur servo-continu qui permettra lui de faire tourner la vis sans fin à une vitesse relativement constante et un couple suffisant. Nous avons ajouté un écran LCD afin de pouvoir afficher la température lue et la température de consigne que nous avons préalablement réglée sur l'Arduino.

  • Schematique Fritzing Moteurs et Écran LCD

  • Moteur et Écran LCD schématique

Réponse au mail d'Alexandre Boé et solution pour la résistance chauffante

Suite à un mail d'Alexandre Boé concernant la commande des résistance chauffantes, nous avons dû réfléchir à la mise en place d'une protection car celle ci est câblée sur un 230V. Nous avons alors décidé d'utiliser un relais statique.

Qu'est ce qu'un relais statique ?

Un relais ou contacteur statique est un type de relais spécial qui est fabriqué avec des semi-conducteurs. Offrant les mêmes fonctionnalités de base, ils utilisent un faible signal de commande pour gérer et contrôler un courant ou une tension plus élevée. Ils intègrent un capteur qui répond au signal de commande et qui commute ensuite le courant sur le circuit de charge. Les relais statiques offrent plusieurs avantages. Ils sont extrêmement durables lorsqu'ils sont correctement utilisés, parce qu'ils ne contiennent aucun élément mécanique ou électromécanique mobile. Ils supportent des millions de cycles d'activation et de désactivation sans usure.

Comment fonctionne un relais statique ?

Les relais statiques combinent plusieurs composants. Ils doivent avoir un circuit d'entrée. Chaque circuit est alimenté par une gamme de tension spécifique. Ils doivent aussi avoir une puce optocoupleur, qui fournit une tension d'isolation et une fonction de commutation entre les fréquences hautes et basses. Ce fonctionnement est similaire à celui de l'armature sur d'autres types de relais. Un relais statique nécessite aussi un circuit de sortie, capable de sélectionner une tension CA ou CC.

Ce sont des composants très fréquemment utilisés dans les transformateurs, les systèmes de chauffage, les moteurs, les unités d'alimentation CC et CA, les éclairages fluorescents, les ordinateurs et un grand nombre de produits électroniques grand public. Les relais statiques sont très utiles pour contrôler les systèmes de chauffage.

  • Exemple de relais statique

  • Exemple de relais statique

  • Montage exemple utilisant un relais statique

Grâce au relais statique nous avons donc une isolation galvanique qui permet d'éviter tout contact physique entre la zone haute tension 230V AC et la zone basse tension 5V DC. L'utilisation d'un trique permet également d'ajouter une sécurité supplémentaire. Enfin on pourra également ajouter une diode roue libre qui jouera le rôle de protection et de commutation au cas où.

Semaine 5 et vacances

Visite à Leroy Merlin

Cette semaine nous avons commencé l'achat de matériaux afin de pouvoir commencer à monter notre machine. Nous nous sommes donc rendu au magasin Leroy Merlin afin d'acheter :

  • Un tube de métal de 20x27 mm de diamètre et de 50 cm de long, (prix 8€)
  • Un forêt à bois de 20 mm de diamètre, (prix 15€)
  • Un bouchon de radiateur que nous fixerons au bout du tube de métal et qui permettra la sortie du filament. (prix 3€)

Impression 3D

Durant la semaine 5 du projet nous avons voulu lancer l'impression des pièces de notre machine que nous avons modélisé la semaine précédente afin de pouvoir commencer l'assemblage durant les vacances. Les imprimantes 3D étaient assez prise cette semaine, entre les présentations faites par le Fabricarium et les PFE, nous avons dû nous adapter. De plus, les impressions nous ont prit pas mal de temps : environ 6h30 pour la partie haute de l'entonnoir, 4h30 pour les deux pieds qui serviront de support et 1h40 pour la partie haute du support. Cependant tout s'est déroulé correctement, les pièces ont été bien imprimées et les dimensions correspondant parfaitement à notre tube en métal.

  • Aperçu des impressions 3D réalisées

  • Pied + entonnoir

  • Pied + partie haute support

Confection et assemblage de la boite

Afin de pouvoir servir de support pour notre machine mais également de stocker l'électronique, nous avons eu l'idée de concevoir une boite. Pour cela nous sommes allés à un magasin de bricolage acheter une planche de bois de 400x20x2 cm. Ensuite nous avons découpé 4 planches de 80 cm de long et nous les avons assemblé avec des vis à bois et des clous afin de former un pavé droit de longueur 80 cm et de hauteur 20 cm. Enfin nous avons découpé deux planches de 25x20 cm afin de former les cotés de ce pavé. Le résultat est donc le suivant :

  • Confection et assemblage de la boite

  • Découpage

  • Assemblage

  • Rendu final

Comme on peut le remarquer sur le rendu final de notre boîte, il y a une face que nous avons décidé de ne pas attacher car il nous reste des éléments électronique à positionner sur cette dernière tel que les switchs qui serviront à actionner les moteurs et la bande chauffante, ou encore l'écran LCD qui permettra d'avoir un visuel sur la température à l'intérieur du tube et de savoir si notre PLA est chauffé correctement. De plus il faudra insérer les composants électronique à l'intérieur une fois que nous aurons réalisé des tests et que tout fonctionnera.

Semaine 6

Réception du matériel et tests

Durant cette semaine, nous avons eu l'agréable surprise de recevoir une partie de notre matériel électronique. Nous avons donc pu commencer à tester le matériel et avancer dans la conception de notre circuit électronique. Cependant nous avons une nouvelle problématique à prendre en compte, c'est l'alimentation des différents composants. En effet nous possédons un certains nombre de composants électroniques dans notre montage mais ces derniers ne sont pas tous alimentés à la même tension, nous devons donc prendre en compte ce paramètre et adapter les tensions en fonction. Nous avons donc réalisé un schéma de ce qui pourrait ressembler à notre montage final afin de voir si tous les composants étaient alimentés correctement et qu'il n'y avait pas d'interférence entre les composants alimentés en 5V, 12V et 230V.

Tensions d'alimentation des différents composants :

5V
  • Moteur ServoContinue
  • Max6675
12V
  • 2 x ventilateurs
  • Arduino UNO
  • Moteur pas à pas
230V
  • Relais statique
  • Résistance chauffante


Nous en avons également profité pour tester notre sonde de température et une partie du code qui nous servira à contrôler en température notre système. Nous avons donc connecté cette dernière à notre Arduino et relevé la température de la pièce et ainsi l'afficher sur le port série.

  • Présentation des tests de la sonde

  • Récupération de la température sur le port série


Enfin nous avons également testé le moteur qui servira à faire tourner la vis sans fin de notre système.

Attache du foret au moteur

Durant cette semaine nous avons travaillé sur le système d'accroche entre le moteur et le foret servant de vis sans fin. Nous avons commencé par réfléchir à un système métallique composé de plusieurs pièces de récupération soudées ensemble. Ce qui nous donna une attache fonctionnelle mais ayant un peu de jeu avec le foret.

Suite à cette première idée fonctionnelle mais pas assez satisfaisante à notre goût, nous avons fini par décider de modéliser cette attache en 3D et de l'imprimer au fabricarium.

  • Design 3D de l'attache moteur

  • Vue de 3/4

  • Vue du dessus

Impression de l'enrouleur

Durant cette semaine nous avions également l'intention d'imprimer la pièce qui servira à enrouler notre filament. Cependant cette dernière s'est assez mal passée. Tout d'abord la pièce nous a prit 9h30 à imprimer, cela est donc assez long. De plus l'impression n'est pas allée à son terme par manque de filament dans la bobine. En récupérant notre impression nous nous sommes rendu compte que dans la partie entre les deux faces circulaires de la pièce, il y avait du support et ce dernier était très difficile à enlever. Nous avons donc décidé de réaliser l'enrouleur d'une autre façon car l'impression 3D ne répond pas à nos attentes et fournit une pièce de mauvaise qualité.

  • Design 3D de l'enrouleur

  • Vu du dessus

  • Vue de profil

Nous avons donc décidé de réaliser la pièce à l'aide de la découpeuse laser. Nous réalisons le design des différentes parties sur le logiciel Inkscape puis la semaine suivante nous découperons les deux parties circulaires extérieures puis plusieurs parties circulaires intérieures et nous assemblerons le tout. Cela nous donnera une pièce de meilleure qualité et le temps de réalisation est largement réduit.


  • Design 2D de l'enrouleur

  • Schéma des cercles extérieurs de l'enrouleur

  • Schéma des cercles intérieurs de l'enrouleur

Semaine 7

Durant cette 7ème semaine, nous avons encore reçu du matériel ! Cette fois-ci c'est au tour de la résistance chauffante et de l'écran LCD de faire leur apparition dans notre boîte de matériel. Nous pouvons donc continuer l'assemblage des différents composants de la machine mais également de commencer à faire quelques tests.

Contrôle moteur Nema17

La semaine précédente Alexandre Boé nous a prêté un moteur pas à pas. Cependant ce dernier ne convenait pas avec les études que nous avions menées. Nous avons finalement trouvé un moteur Nema17. Ensuite nous avons du chercher un contrôleur moteur afin de pouvoir tester ce dernier. Tout d'abord nous avons eu un DVR8825. Nous avons réalisé les branchements et téléversé le code arduino suivant.

  • Tests moteur pas à pas - DVR8825

  • Câblage réalisé avec le DVR8825

  • Arduino pasàpas.PNG

    code rotation du moteur pas à pas

Cependant lors de la mise sous tension du système, rien ne se passe. Nous cherchons donc le problème qui peut être dû soit à un mauvais câblage, soit à un mauvais codage. Nous vérifions donc plusieurs fois les branchements, tout était correcte. Puis nous vérifions le code qui semblait juste aussi. Finalement, nous testons l'état du moteur à l'aide d'une LED. Nous branchons une LED directement aux bobines du moteur pas à pas puis nous faisons tourner ce dernier et là miracle la LED s'est allumée. Nous en déduisons donc que le problème vient de notre DVR8825 qui doit être cramé.

Nous sommes donc repartis à la recherche d'un contrôleur moteur et finalement nous prenons le contrôleur du projet d'Erwan Dufresne de l'an dernier qui lui permettait de contrôler 2 moteurs de type Nema17. Le contrôleur moteur utilisé est donc le TB6560. Nous connectons donc ce dernier à notre moteur, notre alimentation et notre arduino et nous testons la rotation du moteur. Et soudain, miracle, le moteur tourne !

  • Tests moteur pas à pas - TB6560

  • Câblage du TB6560

  • Branchements réalisés

Soudure et Assemblage

Ayant reçu la résistance chauffante nous avons tester le montage regroupant celle-ci, le tube ainsi que la sonde de température. Nous avons ainsi pu obtenir un résultat permettant une bonne tenue des différents éléments. Nous en avons profité pour tester notre accroche moteur appliquée au foret pour tester la bonne tenue et la bonne adhérence.

  • Tests d'assemblage avec la résistance chauffante

  • Accroche du moteur au foret

  • Attache au tube de dessus

  • Attache au tube de face

  • Attache au tube de derrière

Durant cette même séance nous avons été souder les pins de sorties de l'écran LCD au fabricarium. Les tests de fonctionnement de cet écran seront à effectuer la semaine suivante.

Semaine 8

Nous sommes déjà semaine 8 et il nous reste encore pas mal de choses à faire. Même si nous avons reçu tout notre matériel et que la structure de la machine est faite, il n'en reste pas moins que la partie électronique n'a pas du tout été commencée et il nous reste encore quelques tests à réaliser sur les derniers composants reçus. Durant cette semaine nous terminerons donc la partie test pour s'assurer que chacun des composants fonctionne avant d'ensuite réaliser la partie électronique et assembler le tout. Pour cela nous nous répartissons le travail afin d'être plus efficaces. Pol s'occupera des derniers tests sur l'écran LCD et procédera à la découpe laser et l'assemblage pour notre enrouleur de filament tandis que Corentin s'occupera de commencer la réalisation de la partie électronique.

Début de la réalisation de la partie électronique

Afin de préparer au mieux cette séance nous avions préalablement envoyé un mail à Thierry FLAMEN afin de discuter avec lui en tout début de séance sur la marche à suivre concernant la mise en place du relais statique et de pouvoir protéger au mieux notre circuit. Nous voulions donc mettre en place le circuit suivant :

  • Une sonde de température de type K reliée à un MAX6665;
  • Un MAX6665 qui permet de convertir les données liées à la température et les rendre exploitable pour l'Arduino;
  • Un Arduino qui permettra de gérer la mise en marche ou non de la résistance chauffante;
  • Une résistance chauffante alimentée donc en 230 V;
  • Un relais statique (MOC ou TRIAC) qui permettra de réaliser une isolation galvanique afin de séparer les parties basses tensions et hautes tensions.

Cependant, suites aux conseils avisés de Thierry qui nous à fortement préconisé d'utiliser un MOC plutôt qu'un relais statique, nous partirons donc dans cette direction. En effet pour lui le relais statique n'est pas approprié à l'utilisation que nous voulons en faire. Il nous a donc donné un MOC2A60 qui permet donc de commuter en fonction d'une tension envoyée par notre Arduino et donc de mettre en marche la bande chauffante.

Afin de protéger au mieux notre circuit nous devons également ajouter un fusible en entrée du 220V.

Après avoir récupéré toutes ces informations, nous nous sommes donc lancé dans la réalisation du PCB et c'est à ce moment précis que les problèmes ont commencé. En effet les composants que nous a donné Thierry, le MOC et le support pour le fusible ne sont pas présents sur le logiciel Fritzing que j'ai décidé d'utiliser pour réaliser mon PCB. J'ai donc dû les recréer moi même. Cependant mes compétences étant assez limitées sur Fritzing ainsi que Inkscape, j'ai très peu avancé sur le PCB et je n'ai d'ailleurs pas réussi à réaliser les footprints de mes composants...

Bien agacé par cet échec qui m'a fortement ralentis dans l'élaboration du PCB, j'ai donc décidé de changer de logiciel et j'ai regardé pas mal de tutoriels sur internet afin de créer mes propres composants sur Altium.

Tests et code pour l'écran LCD

Suite à la réception la semaine passée de notre écran LCD, nous avons donc décidé de tester ce dernier ainsi que de commencer à créer le code permettant l'affichage des éléments voulus sur ce dernier. Nous voulons donc afficher la commande en température voulue dans notre tube ainsi que, sur la ligne du dessous la température relevé par notre capteur.

Nous avons tout d'abord du étudier la configuration de notre écran LCD pour déterminer le câblage nécessaire à ce dernier. Nous avons donc effectuer ce câblage via la breadboard mise à notre disposition.

  • Tests de câblage de l'écran LCD

  • Schéma de câblage de l'écran LCD

  • Montage de l'écran LCD à l'arduino


Suite au câblage, nous avons créer le code avec la librairie LiquidCrystal pour, pour le moment, afficher une température consigne ainsi qu'une température fictive se régulant seule. Ceci nous a permis de tester l'affichage de l'écran ainsi que le temps que celui-ci met à pour afficher les données voulues.

  • Test du code d'affichage de l'écran LCD

  • Code pour affichage test sur le LCD

Découpe et montage de l'enrouleur de fil

Après ce franc succès lors des tests de code de l'écran LCD, nous avons constaté avec émerveillement que la découpeuse laser du fabricarium était disponible et en état de fonctionnement. Nous en avons donc profité pour faire la découpe de notre enrouleur de fil couche par couche. Puis avec de la colle à bois et un peu d'huile de coude nous avons assemblé notre pièce et obtenu un enrouleur s'emboîtant parfaitement dans notre moteur de type Nema, et donc opérationnel.

  • Photos de l'enrouleur après découpe et assemblage

  • Vue de notre enrouleur de dessus

  • Vue de notre enrouleur de face

Semaine 9

Rassemblement des différents codes

Lors de cette semaine et suite à différents tests durant les semaines précédentes, nous avons pu tester le rassemblement des différents codes ainsi que le rassemblement des câblages des deux moteurs, de l'écran LCD ainsi que la sonde de température. Nous nous sommes ainsi rendu compte que l'Arduino Uno que nous avions à disposition ne permettait pas la liaison entre toutes les parties de notre machine. En effet, cette carte ne dispose pas de suffisamment de pins pour notre projet, nous avons donc opté pour un Arduino Mega à la place. Nous avons ainsi pu réaliser le câblage des différentes parties.

Modélisation de la carte électronique

Nous avons donc basculé sur le logiciel Altium pour concevoir notre carte électronique. Nous avons tout d'abord suivi le tutoriel sur le Wiki IMA montrant la création de bibliothèques de composants sous Altium Designer. Miracle nous avons donc pu créer nos composants : Un header qui servira a connecter les entrées de la bande chauffante et de l'alimentation 220V, une emprunte pour le fusible de sécurité et une emprunte pour le MOC2A60 qui permettra de faire commuter la tension et donc de réguler la chauffe.

Cependant nous avons du nous documenter sur le MOC2A60 car le composant permet d'isoler la partie basse tension et la partie haute tension il y a donc des particularités et des distances à respecter pour le routage.

  • Datasheet utile pour le MOC2A60

  • Conseil routage

  • Conseil montage tests

  • Package dimensions

Voici donc les composants que nous avons pu desginer. On retrouve tout d'abord une photo du composant, son schématique et enfin le footprint associé.

MOC2A60 :

  • Création de la bibliothèque pour le MOC2A60

  • Schématique

  • Footprint

Fusible :

  • Création de la bibliothèque pour le Fusible

  • Schématique

  • Footprint

Header :

  • Création de la bibliothèque pour le Header

  • Schématique

  • Footprint

Une fois les composants édités, nous nous sommes donc attelés à la réalisation du schématique du circuit électronique en question. Nous avons également suivi le tutoriel sur la création de PCB sous Altium Designer via le Wiki IMA du portail. Nous avons été très vite en difficulté avec l'utilisation des librairies sous Altium... En effet elles ne contenaient pas de composant Arduino Mega alors nous avons passé pas mal de temps sur Internet pour en trouver un plutôt que d'en refaire un nous même (ce qui aurait prit largement plus de temps). En dehors des heures de projets nous avons continué de réaliser le schématique pour essayer d'avoir la carte électronique le plus vite possible afin de passer à la phase de test.

Rencontre avec Extrusium

Le fabricarium est un lieu de rencontre et d'échange. Suites à des échanges avec Rodolphe Astori, nous avons pu être mit en relation avec une personne, Gauthier Traisnel, qui dans le cadre de son cursus universitaire monte son entreprise, Extrusium, spécialisée dans l'extrusion de plastique afin de refaire des bobines de filament, mais à grande échelle. Cela est donc parfaitement en accord avec notre projet de 4ème année. Nous nous sommes donc rencontrés afin d'échanger sur le sujet et pour avoir également d'autres retours vis à vis d'une personne s'étant penché sur le sujet. Les retours et l'échange étant très positifs, nous sommes donc motivés a aller encore plus loin. Nous discutons également de potentielles améliorations de notre système déjà existant.

Nous parlons donc de changer le moteur qui entraînera la vis sans fin pour mettre un moteur plus puissant et de réaliser un tête d'extrusion afin de faciliter la formation du filament en sortie du tube.

Semaine 10

Fin de la conception de la carte électronique

Durant cette dixième semaine de projet nous avons terminé la conception du PCB qui nous aura prit finalement plus de temps qu'on ne le pensait. Cela à d'ailleurs ralenti notre progression, et nous pensons que nous aurions dû nous y mettre plus tôt car sans cette carte électronique, il nous est impossible de faire des tests. Nous avons également eu quelques problèmes lors de l'impression de notre carte. En effet, les couches hautes et basses tension étaient du même côté (Top Layer) ce qui nous empêchait dont de pouvoir fixer les composants hautes tension correctement. Nous avons donc effectué ces changements en dernière minute, ce qui nous a encore prit 1h de travail.

Finalement voici le schématique et le PCB finaux, il ne nous reste plus que la soudure et nous pourrons enfin effectuer des tests de notre extrudeuse de PLA, on y croit !

  • Circuit électronique final

  • Schématique

  • PCB

Modification des supports pour le tube

Cette semaine nous a permis de nous rendre compte d'une erreur lors de la conception des supports pour le tube permettant le transport du PLA. En effet, nous avons conçu ces supports grâce à l'impression 3D, ils sont donc en PLA. Il y a donc un risque assez important qu'après avoir appliqué une chaleur importante en bout de tube celle-ci soit conduite vers les supports en PLA, ceux-ci risquent donc de s'affaisser dès lors que les températures dépasseront les 60°C. Nous avons donc réfléchit à un nouveau type de support, et plus spécifiquement pour le support le plus proche de la zone de chaleur. Cette réflexion nous a amené à un système de supports à base de bois. Nous avons d'abord créer un modèle 3D pour visualiser le fonctionnement de ce support puis nous avons créer les modèles pour la découpeuse laser.


  • Supports pour le tube

  • Support

  • Partie haute des supports

  • Vue d'ensemble sur la machine

Nouveau moteur pour la vis sans fin

Grâce aux conseils avisés de Monsieur Gauthier Traisnel nous avons décidé de modifier le moteur entrainant la vis sans fin dans le tube. En effet si nous voulons extruder de manière optimale le fil de PLA, nous devons modifier la tête d'extrusion et pour obtenir un meilleur flux et une consommation d'énergie plus constante avec cette tête il est préférable de modifier également le moteur. Monsieur Traisnel nous a confié un moteur à courant continu de récupération. Couplé à un potentiomètre et branché à une alimentation 12V convenable nous pouvons ainsi faire tourner notre vis sans fin comme nous le voulons, en adaptant la pièce couplant le moteur à la vis.

  • Changement de moteur

  • Nouveau moteur branché

  • Branchement au potentiomètre

  • Nouvel adaptateur au foret

Semaine 11

Soudure des composants

Une fois la carte électronique imprimée nous avons pu nous lancer dans la soudure de cette dernière mais là encore quelques problèmes sont encore venu nous ralentir dans notre progression et nous craignons qu'aucun test ne pourra être effectué avant le début des vacances...

Pour la partie basse tension il n'y avait que des headers à souder. Lors de la soudure de ces derniers, il y avait quelques problèmes de taille; en effet nous voulions avoir des headers de 3 broches or Mr Redon ne pouvait nous en fournir. Nous avons dû limer un header 4 broches afin de le raccourcir pour qu'il rentre sur la carte. Nous avons eu le même problème lors de la soudure du header servant à connecter notre écran LCD. Nous voulions un header de 16 broches mais Mr Redon ne pouvait nous fournir que 2 headers de 8 broches nous avons encore une fois dû les limer pour pouvoir les positionner côte à côte.

Pour la partie haute tension, nous avons eu quelques problèmes au niveau de la conception de la carte. L'espace disponible étant mal exploité, les composants était trop serrés. Nous avons encore dû faire des ajustements sous les conseils de Thierry Flamen.

Une fois les composants soudés nous en avons également profité pour réaliser le câblage des différentes parties de notre machine. En effet, nous avons du découper des fils pour connecter les composants se trouvant hors de la boîte avec le systèmes électroniques se trouvant lui à l'intérieur. Cela nous a encore une fois prit pas mal de temps car nous n'avions pas forcément pris en compte ces paramètres.


  • Carte électronique finale

  • Top 1 - Basse tension

  • Top 2 - Haute tension

  • Bottom 1 - Haute tension

Customisation de la boîte

Durant cette semaine nous en avons profité pour nous occuper de l'aspect de la boîte de notre machine. En effet, nous devions prévoir un support pour l'écran LCD ainsi que pour les quatre boutons permettant d'actionner les différentes parties. Nous avons commencé par créer un modèle 3D pour ce support mais après réflexion il était bien plus simple d'utiliser la découpeuse laser. Nous avons donc modéliser ce support puis nous l'avons donc découpé.

Suite à cette découpe nous avions besoin de préparer la planche avant de notre boîte pour pouvoir accueillir le support et ses composants. Nous avons donc percé cette planche puis nous avons découpé à la scie sauteuse des trous permettant d'accéder au dos de l'écran depuis l'intérieur de la boite. Pour les branchements des boutons nous avons demandé à Thierry Flamen des cosses pour mettre sur les fils donnés par Monsieur Redon.

  • Support pour LCD et switch

  • Vue de face

  • Vue de l'intérieur

Modification de la tête d'extrusion

Durant cette semaine, Monsieur Traisnel nous a aidé dans la conception de la nouvelle tête d'extrusion de notre machine qui permettrait un meilleur flux ainsi qu'une économie en énergie. Avec les plans de cette pièce il faudrait désormais l'usiner au second lieu de Polytech'Lille.

  • Support pour LCD et switch

  • Tête d'extrusion

Bilan à l'approche des vacances et perspectives pour les dernières semaines à venir

Nous arrivons maintenant aux vacances d'Avril et nous pensons qu'il est important de faire un bilan des choses que nous avons réalisé afin de voir où nous en sommes et de cibler ce qu'il nous reste à faire ainsi que les potentiels point à améliorer.

Ce qui a été fait
Structure de la machine - La boîte servant de support pour la partie extrusion et de contenant pour la partie électronique est montée

- Les supports permettant de tenir le tube métallique sont modélisés et imprimés

Fonction extrusion - La pièce permettant de lier le moteur au foret à été modélisée et imprimée
Conception électronique - La carte électronique a été imprimée et les composants soudés sur cette dernière

- Les câbles permettant de faire la liaison entre les différents composants de la machine sont découpés

Phase de tests - Les moteurs ont été testé et le code pour les contrôler fonctionne

- Nous arrivons à faire tourner le foret et conduire un morceau de plastique à l'intérieur du tube métallique - Le code permettant d'afficher la température lue à l'aide de la sonde fonctionne ainsi que son correcteur - Les ventilateurs fonctionnent également

Ce qu'il reste à faire
Structure de la machine - Fixer les supports sur le dessus de la boîte

- Percer un trou à l'arrière de la boîte qui nous permettra de faire passer les câbles de connexion - Réaliser la partie qui servira à tenir le moteur pas à pas pour l'enroulement du filament

Fonction extrusion - Découper le tube métallique ainsi que le foret afin d'ajuster la distance de ces derniers

- Percer notre bouchon en Laiton qui nous permettra de laisser sortir le filament

Conception électronique - Souder les câbles permettant de connecter l'ensemble des composants de la machine
Phase de tests - Nous devons encore tester notre partie haute tension avec la bande chauffante en fonctionnement ainsi que sa régulation (très important, à faire d'urgence)
Ce qu'il peut être amélioré
Structure de la machine - Si nous voulons changer de moteur, il nous faut refaire un nouveau support pour ce dernier
Fonction extrusion - Modéliser une tête d'extrusion au Second Lieu de Polytech afin d'avoir une extrusion plus précise et moins gourmande en énergie ce qui soulagerait notre moteur
Conception électronique - Si nous changeons de moteur il faudrait réaliser un pont en H ou quelque chose de similaire afin de contrôler ce dernier
Phase de tests - Nous pourrions mettre un potentiomètre au niveau de la partie commande de température afin de changer manuellement la consigne de chauffe de notre plastique

Retour des vacances - Heures supplémentaires

Au retour des vacances nous avons donné le maximum pour finir le projet et améliorer au maximum le travail réalisé. Nous avons passé de nombreuses heures au fabricarium afin d'avoir un rendu final de qualité !

Accroche des supports sur la boite

Avant les vacances nous avions terminé de modéliser et d'imprimer les supports pour le tube. Nous avons donc logiquement commencé par fixer ces supports sur la boite de notre machine. Lors de la reprise après les vacances nous avons aussi pris contact avec Monsieur Dienne du Second Lieu pour les découpes de notre tube et de notre foret, ce qu'il a gentillement effectué.

  • Supports fixés à la boite
  • Supports boite.jpg

Après l'accroche de ces supports, nous avons également pu nous atteler à la création d'un support pour le nouveau moteur afin de le placer à la bonne hauteur et à la bonne distance de la sortie du tube et donc à la bonne distance de la tige du foret.

  • Support du nouveau moteur fixé
  • Support moteur.jpg

Du MOC au relais statique

Au retour des vacances, nous avons tenté de réaliser les derniers tests de la carte électronique c'est à dire la faire fonctionner en 220V et donc tester le MOC afin de savoir si ce dernier supporte la haute tension et pourra commuter correctement afin de réguler la température de la bande chauffante. Cependant ces tests se sont révélés très peu concluant... Avec l'aide de Florian Chevalier, nous avons réalisé ces derniers dans la salle E001 qui est sécurisée et donc parfaite pour des tests hautes tensions. Après plusieurs essais, dans différentes configurations, nous avons finalement conclu que le MOC ne fonctionnait pas. Nous devons donc rapidement nous retourner et trouver une solution afin d'assurer la régulation de température.


C'est donc à ce moment que nous revenons sur notre idée de base, c'est à dire l'utilisation d'un relais statique qui viendra donc remplacer le MOC défectueux. Par chance Alexandre Boé avait un relais en réserve et à donc pu nous en prêter un. Nous avons donc commencé par le tester sur une breadboard en basse tension afin de voir si il pouvait assurer sa fonction d'interrupteur. Une fois encore la chance ne nous sourit pas et nous avons d'autres problèmes... En effet le montage pourtant simple d'apparence ne nous permet pas de faire commuter le relais.

Le montage est constitué en entrée de l'arduino qui envoie la commande, d'un relais izc-11f, d'une diode, et en sortie d'une LED et d'une résistance. Comme nous pouvons le voir sur l'image suivante, l'arduino envoie une commande toutes les 1 seconde (état HAUT ou état BAS) et fait commuter le relais pour allumer ou éteindre la diode.

  • Montage relais statique basse tension
  • Relais1.jpg

Suite aux conseils avisés d'Alexandre Boé, nous devons rajouter un transistor en entrée afin de protéger l'arduino d'éventuelles fuites de tension du 220V. Malheureusement une fois le transistor ajouté le montage ne fonctionne plus... Après un certains temps de recherche nous parvenons à déceler l'erreur qui est en faite un courant beaucoup trop faible en entrée du relais du fait de l'ajout du transistor. Pour contrer ce problème nous avons essayé pas mal de choses sans succès (2 étages de transistors, augmenter la tension d'entrée...). Finalement Alexandre Boé nous a donné la solution qui était en faite une mauvaise polarisation de notre transistor. En effet nous utilisions un transistor PNP alors que nous devions utiliser un NPN. Une fois le transistor changé, miracle, tout fonctionne. Nous pouvons donc souder le relais sur la carte et tester le circuit en 220V.

Création d'un support pour le moteur pas à pas et pour le ventilateur

Pour le système permettant d'enrouler le fil produit par notre machine, nous avions besoin de créer un support pour le moteur pas à pas entraînant notre enrouleur. Nous avons donc créé à l'aide d'Inkscape et de la découpeuse laser des pièces en bois qui s'assemble et permettent le positionnement du moteur à la hauteur voulue.

  • Support pour le moteur pas à pas

  • Modèles du support

  • Vue réelle du support

Après avoir réalisé ce support nous avons donc réalisé un nouveau support mais cette fois-ci pour le ventilateur permettant le refroidissement du fil nouvellement extrudé. Comme pour le moteur pas à pas nous avons utilisé Inkscape et la découpeuse laser pour avoir le résultat attendu.

  • Support pour le ventilateur

  • Modèle du support

  • Vue réelle du support

Câblage et mise en commun des différentes parties de la machine

Une fois les différents supports créés nous avons donc tout logiquement pu assembler les différentes parties de la machine sur la boite et ainsi nous occuper de la partie câblage électronique et ceci de manière propre. Pour cela nous avons donc soudé les fils entre eux et nous avons placé de la gaine thermorétractable autour des soudures pour éviter les contacts électriques et pour plus de propreté du système.

Nous obtenons donc l'aspect final de notre machine avec les différents éléments fonctionnels dessus.

  • Boite avec les parties assemblées

  • Vue de sortie de tube

  • Vue de face de la machine

  • Vue vers l'enrouleur

Tests

Pour ce qui est de la partie de tests, nous avons réalisé l'ensemble du câblage de tous les composants sur la carte électronique, ce qui nous a prit énormément de temps, puis nous avons testé les différentes fonctionnalités de notre machine. Le moteur entrainent la vis sans fin tourne correctement à une vitesse relativement constante. L'écran LCD affiche la température de consigne et la température lue par la sonde de température. Le moteur permettant l'enroulement du filament fonctionne également. Les interrupteurs permettent de contrôler chaque partie de la machine.

Cependant n'ayant pas accès à la salle E001 cette semaine nous n'avons pas pu tester une nouvelle fois la résistance chauffante. Ce qui engendre un léger sentiment de frustration car nous n'avons pas encore réussi à l'heure actuelle à produire du filament. Cependant nous avons réussi à décrocher un rendez-vous avec Abdelkader Benabou en fin de semaine afin de réaliser les derniers tests sur notre machine. Nous sommes très impatient de les réaliser et voir si notre prototype d'extrudeuse de PLA est finalement fonctionnel !

Conclusion sur le projet

En conclusion, notre projet étant terminé nous pouvons dressé un bilan majoritairement positif avec toutefois quelques zones d'ombres. En effet si les parties de notre projet semble fonctionner séparément nous n'avons jamais pu tester l'ensemble de notre machine avec toutes les parties en même temps.

Au delà des tâches effectuées, nous savons vers quelle direction s'orienter pour aller plus loin dans ce projet et pouvoir améliorer de manière significative les performances de la machine. Nous pouvons par exemple terminer la conception d'une tête d'extrusion plus performante et permettant une moins grande consommation d'énergie. Nous pouvons également mettre en place un système tel qu'un pont en h pour contrôler de manière plus automatique et plus efficace la vitesse du moteur de la vis sans fin.

Tests post soutenance

Notre soutenance s'est déroulé le Jeudi 9 Mai 2019 et compte tenu de celle-ci, nous voulions réaliser des tests supplémentaires en salle E001 afin d'essayer de produire du filament. Nous avons donc sollicité Abdelkader Benabou que nous remercions fortement d'avoir pris de son temps pour nous accompagner dans notre test. Les tests se sont déroulé le Vendredi 10 Mai 2019 aux environs de 15h. Tout d'abord nous avons câblé la machine pour qu'elle soit alimentée en 220V.

Une fois le câblage correctement réalisé, nous avons donc fait grimper la tension petit à petit jusque 220V et nous avons pu constater que notre carte électronique fonctionnait et que la régulation à l'aide du relais statique se faisait correctement. Nous avons alors réussi à chauffer le PLA à l'intérieur du tube. Une fois cette étape réalisé nous avons donc voulu lancer le moteur afin de lancer l'extrusion.

Cependant cette étape s'est malheureusement mal déroulé, en effet le PLA s'étant accumulé au bout du tube, ce dernier s'est donc retrouvé poussé car il n'était pas fixé au support et juste maintenu. Nous pensons qu'il aurait été préférable de réaliser des supports en métal que nous aurions soudé au tube afin que cela ne se produise pas.

Nous avons noté également une conduction assez moyenne de la chaleur dans le tube, pour une chauffe optimale il faudrait donc ajouter d'autres résistances chauffantes.

Les tests restent toutefois encourageant et nous pensons qu'avec une meilleure conception mécanique nous aurions réussi à sortir du filament.

Documents Rendus

Rapport de projet : Fichier:P12 - Rapport de projet .pdf

Code Arduino : Fichier:Code p12 Danjou Mulon.zip

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