Version du 18 janvier 2018 à 09:39

Présentation générale

Objectifs

L'objectif de ce projet et de réaliser un scanner 3D permettant de modéliser un objet existant, en fichier .STL exploitable par une imprimante 3D. L'idée étant de laisser ce scanner à disposition des élèves, au Fabricarium de l'école.

Description

A l'heure actuelle, l'idée de duplication et de clonage d'objet est en pleine extension. En effet, les futuristes s'accordent à dire que l'imprimante 3D sera disponible dans les habitations au même titre qu'une imprimante classique papier, d'ici quelques années. Que ce soit pour de la vaisselle, des jouets ou encore de la décoration. Les logiciels de modélisations sont de plus en plus nombreux et de plus en plus accessibles aux non initiés ( par exemple le logiciel de modélisation fourni avec Windows 10). Toutefois, la conception et la modélisation d'objets complexes du quotidien, est parfois délicate et chronophage.

Tout comme une photocopieuse, l'idée du projet et de « photocopier » un objet. L'objectif principal sera de scanner l'objet et d'ensuite le sauvegarder en format STL sur une carte SD ou dans un dossier. Les logiciels qui permettent d'imprimer en 3D, comme CURA par exemple, ont plusieurs fonctions qui permettent des modifications (d'échelle notamment), à partir du fichier STL. Ainsi, l'utilisateur pourra modifier quelques paramètres de son objet avant de le dupliquer.

Pour ce faire, il existe deux méthodes (voir même trois). En effet, il existe le scan via technologie laser (capteur de distance), le scan via utilisation d'une caméra permettant de créer un nuage de points via un émetteur laser infrarouge et un récepteur infrarouge (type kinect), et enfin la photogrammétrie. Les deux premières techniques seront exploités et nous essaierons de les mêler afin d'obtenir le meilleur scan possible en combinant les avantages des deux méthodes sans en avoir les inconvénients.

Une attention toute particulière sera apporté à la tenue à jour de l'avancement du projet. Effectivement, l'ensemble des membres du Fabricarium doit pouvoir connaître l'avancement exacte du projet, qu'il s'en intéresse de près ou de loin.

Ensuite selon la complexité demandée et l'avancement du projet, il sera possible de l'améliorer avec différentes options. La première étant de corriger automatiquement le scan avant son rendu en fichier STL. En effet, si par exemple le support de l'objet est scanné, il faut en faire abstraction. Les trous, bien qu'en nombre limité, seront sûrement présents pour les objets complexes, il faudra alors les combler. Cette tâche peut être réalisée manuellement mais il convient qu'il serait plus agréable et pratique pour l'utilisateur, que le scanner s'en charge automatiquement. Ensuite, il pourrait être utile de lier directement le scanner et l'imprimante. Afin de ne pas avoir à transférer la carte SD d'une machine vers l'autre, encore une fois pour des raisons pratiques. Puis, il serait intéressant que le fichier scanné puisse également s'enregistrer dans un format modifiable par un logiciel de modélisation. Par exemple une tasse avec une anse cassée, pourrait être rapidement réparé (qu'on scanne ou non la anse). Enfin, la version la plus aboutie du projet serait d'ajouter une interface graphique au scanner afin de pouvoir faire toutes les étapes précédentes facilement et de manière agréable.

Cette duplication rapide et accessible gratuitement permettra aux étudiants de l'école de dupliquer leur objets facilement.

Analyse du projet

Il existe déjà plusieurs techniques permettant de scanner des objets. Parmi elles, trois sont assez pratiquées mais contiennent toutes des inconvénients non négligeables.

Analyse du premier concurrent

La détection des contours de l'objet par un détecteur de distance laser est la technique la plus répendue pour les utilisateurs non professionnels. L'idée est d'utiliser un faisceau laser projeté sur l'objet de manière verticale. Ce faisceau est alors analyser par le capteur. L'avantage de ce système est que les points du faisceau laser ne se dilate pas avec la distance. L'objet est ensuite mis en rotation sur l'axe verticale afin d'en faire le contour complet. L'ensemble de ces données de distance est alors enregistré sur une carte SD. Un logiciel permet ensuite d’exploiter toute les sauvegardes en un fichier STL. Le scan est stable et correct.

Cependant, la précision du rendu laisse à désirer. En effet, ce type de scanner permet de contenter les utilisateurs ne cherchant pas un résultat professionnel mais est loin de convenir dans le cadre d'une reproduction fidèle. Un scanner de ce type est disponible en open source : le FabScanPI. De plus ce type de scanner ne prend pas en compte la vison vue du « haut » de l'objet. Une tasse serait alors représentée comme étant un cylindre plein (pour le contenant) avec un disque encastré dedans (correspondant à la anse).

Analyse du second concurrent

Il existe ensuite la possibilité de scanner avec une caméra qui créer un nuage de points en 3D. Le principe est sensiblement le même que celui expliqué précédemment mais dans un environnement en 3 dimensions. La caméra envoie des ondes qui seront ensuite réfléchies sur l'environnement extérieurs et analysées par le capteur présent sur la caméra. Cette technique présente comme avantage de pouvoir ajouter la couleur au scanner grâce à la caméra (ce qui ne nous importe pas vraiment dans le cas d'une duplication d'objet, mais éventuellement dans celui d'une modification par logiciel de modélisation). Il est possible de déplacer la caméra et ainsi de scanner des objets plus grands (pièce à vivre, habitation, etc). Il est alors possible de survoler nos objets et d'en détecter les éventuelles complexités (comme la tasse évoquée juste avant) Cependant la présence de « bruits » comme les trous ou les mauvais scan, sont ainsi plus présents . De plus, la caméra scanne tout l’environnement de part sa puissance. Les murs de la pièces, le support etc... tout est scanné. Contrairement à la technique précédente, il ne suffit plus de « descendre » le fichier scanné à un axe en z=0 pour supprimer le support. En effet ici, le scan s'étant réalisé avec une mobilité de la caméra, l'objet scanné ne donne pas forcément un scan droit. Une retouche est alors nécessaire pour corriger les défauts du scan. Enfin ce type de scanner utilisant cette technologie est très onéreux.

Cependant il existe une caméra peu chère que la communié s'est accaparé. La caméra qui nous intéresse est la kinect. Effectivement, cette caméra, originalement prévue pour l'utilisation avec la console de salon Xbox 360 de Microsoft, est désormais complètement « Reverse Engineered » et la communauté peut désormais utiliser la caméra pour des projets comme le notre. Son faible coup et son abondance sur les marché permettent un accès à une technologie précise, à moindre coup. Il est conseillé de la programmer en C#, mais ceci n'est pas indispensable. Des logiciels tels que Skanect ou Kinect-Fusion, totalement openSource, permettent de retoucher les scans faits avec la caméra de manière assez simple et de les rendre sous forme STL.

Analyse du troisième concurrent

Enfin il existe aussi la technique de photogrammétrie. L'idée est de prendre une centaine de photos d'un objet avec un appareil photo puissant, comme un reflex. Ensuite un logiciel payant (environ 40 euros par mois) vous permet de « build » votre objet sous forme de fichier STL après plusieurs heures de traitement. Ce système est donc onéreux et chronophage. Il ne sera donc normalement pas exploité dans ce projet, cependant je tenais à l'évoqué car il constitue à l'heure actuelle, la façon la plus précise et la plus « simple » de scanner un objet. Le coté pécuniaire étant sont seul très gros inconvénient.

Il faut noter que toutes ses méthodes ont une limite communes : le transparent ! Un verre de lunettes ne permettra pas pas un scan précis, de par le phénomène de réflexion. Il faut alors peindre l'objet avec de la peinture temporelle pour pouvoir le scanner. Ce qui n'est pas pratique.

Positionnement par rapport à l'existant

L'idée va ainsi être de tester les techniques évoquées précédemment et essayer de les combiner afin d'obtenir un système qui combine les avantages des systèmes sans en avoir les inconvénients. Afin d'en faciliter l'utilisation par un étudiant Lambda.

Le but de mon projet de Scanner 3D est d'être accessible facilement et gratuitement, par tous, via le fabricarium de l'école. La tenue à jour de l'avancement du projet est essentielle dans l'élaboration du scanner. Le wiki servira de point d'avancement pour toutes les personnes voulant s'intéresser de près ou de loin au projet. Afin de limiter les coûts et de conserver le maximum de qualité du scan, je vais utiliser la caméra kinect. Cette dernière sera mise en rotation à 360 degrés, via un système de moteurs, autour d'un objet à scanner en position fixe. Cette caméra montera le long d'un bras incurvé en forme d'arc de cercle. Une fois arrivée en haut elle aura scan l’intégralité de la pièce sous tous les points de vue d'une demi sphère (l'hémisphère sud n'étant pas exploitable à cause du support). Ensuite je tenterai de modifier un logiciel existant via api ou documentation, pour qu'il fasse exactement ce que je veux, afin de paramétrer au mieux le build et d'optimiser le rendu du fichier STL. Ce système stable limitera le bruit d'un mouvement de caméra (avantage du concurrent 1) avec la qualité de scan du concurrents 2.

Enfin, le projet sera suivi par l'équipe des FabManagers que je formerai une fois le scanner réalisé (et tout au long de son élaboration). Je mettrai aussi une documentation papier et informatique pour quiconque souhaitant en apprendre plus sur le système et/ou l'améliorer par la suite.

Ce scanner 3D serait donc un projet d'un étudiant fait pour les étudiants afin de leur permettre de dupliquer leur objets, dans quelques but que ce soit.

Scénario d'usage du produit ou du concept envisagé

Imaginons Bill, un étudiant en MECA3, tout récemment arrivé à Polytech en début d'année. Il a peu de revenu et souhaite limiter au maximum ces dépenses mensuelles.

Pourtant, un soir, un peu trop énervé après un examen de thermodynamique il ouvre son réfrigérateur un peu trop violemment et casse la poignée en deux. Impossible pour lui de la réparer car elle est fendue en deux et le point de colle qu'il a mis ne suffit pas. Une poignée de frigo ça ne se trouve pas si facilement ! Puis c'est un vieux qu'il avait récupéré de sa famille. Impossible de retrouver une poignée neuve. Devrais-t-il renoncer à ouvrir son garde manger réfrigérant ? Non !

Comme tous les étudiants de Polytech Lille, il a accès au Fabricarium de l'école. Après avoir pris connaissance de l'existence d'un scanner 3D à l'école, il décide de se renseigner sur son utilisation via la documentation mise à disposition des élèves. Comme toutes machines du Fabricarium, il se fait formé à son utilisation par un des membres du Fabricarium.

Il place donc sa poignée, rafistolée vulgairement avec un point de colle, dans le scanner. Quelques minutes plus tard, il dispose d'un fichier STL, de la forme de sa poignée de réfrigérateur. Il lance donc l'impression du fichier sur l'imprimante 3D du FAB. Le soir même, Bill peut de nouveau utiliser son réfrigérateur comme au premier jour.

Il se dit que cet outil est vraiment utile et qu'il serait utile d'en profiter ! Il duplique alors sa coque de téléphone . Il met ce fichier STL sur un drive. On ne sait jamais ! Peut être qu'un jour il oubliera sa coque de téléphone chez ses parents, et il sera bien heureux de pouvoir en réimprimer une identique le moment voulu, lorsque son pauvre portable sera nu, sans défense. En plus les imprimantes 3D se démocratise de plus en plus. Il y en a dans les bureaux de postes, dans les magasins de type LeroyMerlin, chez des particuliers, etc... ça ne devrait pas être trop difficile de trouver un endroit ou imprimer ce dont il a besoin.

Ensuite, dans l'année, après avoir découper une pièce de bois, il l'a travaillé avec minutie afin d'en faire un axe complexe, contenant une roue demi crantée. La pièce est parfaite pour son projet en cours de dynamique du solide. Il utilise alors le scanner pour faire une sauvegarde de cet axe avant de le retravailler et éventuellement le modifier de façon irréversible.

Et c'est ainsi que Bill a également pu se faire un deuxième porte manteau mural, lui qui en avait qu'un seul, pour son manteau d'hiver . Ou encore, en utilisant la même méthode, il a pu dupliquer sa petite figurine Pikachu qu'il avait étant enfant.

En ouverture, on peut supposer que ce système de scanner devienne de plus en plus développé. Au point d'être utilisé par les entreprises. Imaginez qu'une pièce du meuble de Bill casse ! Alors IKEA qui possède une base de donnée de fichier scannés de ses meubles, lui envoie le fichier STL à imprimer, pour son pied d'étagère Shtomël ! Ce scanner à donc permis de faciliter la vie des étudiants de Polytech Lille. Comme ce fut le cas pour Bill, le scanner a permis de dupliquer des objets et d'en faire des copies sous forme de fichier STL, que ce soit dans un but ludique, utile, ou dans le cadre d'un projet d'études.

Réponse à la question difficile

Les deux questions qui me durent posées lors de la première présentation étaient : "Jusqu'à quelle taille d'objet pouvons nous scanner ?" ainsi que "Combien de temps durera un scan ?"

Selon les différentes dispositions auxquelles j'ai pensé lors de l'élaboration d'un "prototype" sur papier, la taille de l'objet à scanner devrait être au maximum d'environ 30 cm cube et de minimum 3 cm cube pour avoir un scan précis. Pour ce qui est du temps du scan (hors temps d'impression du fichier STL), il devrait être de moins d'environ 5 minutes pour être considéré comme efficace.

Préparation du projet

Le projet sera amené à évolué dans le temps, en fonction des réussites, des échecs et de ce que le Fabricarium souhaite ou non.

Cahier des charges

Le scanner devra être le plus simple possible d'utilisation ! Il devra permettre dans un premier temps, de remplir l'objectif principal : permettre de pouvoir réimprimer une pièce en 3D, le plus fidèlement possible par rapport à la pièce d'origine. Peu importe la technique utilisée. La suite de ce projet consistera à améliorer ces différents scans et optimiser la duplication des objets pour le rendre accessible au non initiés. L'objet scanné devra avoir une taille raisonnable pour permettre un scan optimal (ni trop petit, ni avec de trop grande dimensions). Le scanner doit être "autonome" et une fois lancé, l'utilisateur n'a pas à intervenir sur le scanner (à part pour récupérer le fichier .STL sur la carte SD à la fin du scan.

Choix techniques : matériel et logiciel

Je vais utiliser dans un premier temps le scanner avec capteur de distance laserafin d'en tester les limites et d'en tirer les avantages. Ensuite j'utiliserai la méthode du scan via la caméra kinect afin de saisir les fondamentaux de la procédure à suivre (tolérance aux vibrations, création de trous,...) pour obtenir un scan optimal. J'essayerai alors de combiner les deux techniques afin de faire une sorte de scanner hybride, possédant les avantages des deux techniques, sans en avoir les inconvénients.

Liste des tâches à effectuer

Les différentes tâches à effectuer :

étape 1 :Élaborer un scanner avec le capteur de distance et l'analyser en profondeur afin de s'en inspirer un maximum pour en tirer les avantages de cette méthode de scan.

étape 2 : Faire un scan avec la caméra kinect afin d'en tirer les enseignements d'un scan avec caméra

étape 3 : Faire des nombreux points avec l'équipe du Fabricarium pour répondre à leurs attentes et faire quelque chose qui correspond le mieux a leur besoins.

étape 4 : Conception d'un modèle hybride permettant un scan de meilleur qualité que les deux méthodes précédentes et de manière plus facile.

étape 5 : Améliorations de ce dernier système réaliser afin d'en faire un scanner le plus aboutit possible.

Calendrier prévisionnel

Le projet étant à rendre au moi de mai, mais comptant une marge d'erreurs et d'améliorations éventuelles, le calendrier prévisionnel optimal serait donc :

Fin de l'étape 1 : Début février,la première technique de scan, par capteur de distance laser, a été testée, exploitée et étudiée.

Fin de l'étape 2 : Fin Février, la seconde technique de scan, via caméra kinect, a été testée, exploitée et étudiée.

Fin de l'étape 3 : Mi mars, les réunions avec le fabricarium ont abouti sur un modèle final a confectionner.

Fin de l'étape 4 : Fin Avril, le scanner final est réalisé et opérationnel.

Fin de l'étape 5 : Le temps restant sera consacré à l'amélioration de ce dernier modèle, et à l'analyse du projet (erreurs commises, décisions judicieuses ou non). Je consacrerais également un temps de formation pour les membres de Fabricarium, afin qu'ils puissent eux même former les étudiants par la suite, pour pouvoir utiliser ce scanner. Si le projet n'est pas totalement terminé ou encore améliorable, ces mêmes membres pourront poursuivre le projet afin d'atteindre l'objectif principal : donner accès à un scanner 3D aux étudiants de l'école.

Réalisation du Projet

Feuille d'heures

Prologue

Avant d'entamer officiellement le projet, avec des créneaux horaires prévus à cet effet, un travail en amont à dû être réalisé.

En effet, premièrement, un long travail de recherche à était fait. Il fallait que je puisse voir les technologies existantes. De plus je devais m'assurer que le fait de réaliser "une photocopieuse d'objet" était faisable !

Parallèlement, je me suis rapproché de Rodolphe Astori afin de soumettre mon projet et de demander si celui ci intéresserait éventuellement le Fabricarium. L'idée lui plu aussitôt !

Après avoir étudier longuement les différentes technologies existantes, ainsi que leur défauts,j'ai décidé de proposer l'idée de proposer mon projet aux professeurs responsables.

Une fois le sujet approuvé par ces derniers, je pouvais alors me rapprocher des membres du fabricarium pour leur exposé le projet oralement, et commencer à réunir les personnes suscitant un plus ou moins grand intérêt pour le scanner.

Une fois ceci fait, j'ai alors continuer longuement mes recherches et ai opté pour différents composants, sélectionné selon leur qualité, leur prix, et les avis des internautes, les suggestions des professeurs et de certains IMA les ayant testé.

J'ai donc dès le début du moi d'octobre, commencé à élaborer différents prototype sur papier et exploré différentes options pour réaliser le scanner.

De plus la présentation devant une partie de la classe et un professeur référent, m'a permis de confirmer certains choix et également de voir différentes options à étudier, auxquelles je n'avais pas pensé !

Puis, un temps fut également consacré à la recherche de matériel nécessaire. La plupart du matériel étant déjà disponible à l'école, chez moi, ou à faible coût sur internet, j'ai décidé de commander une petite partie du matériel afin de pouvoir manipuler certains éléments qui m'étaient jusqu'alors inconnus. Finalement les délais de livraison étant très longs (merci les sites chinois), je me suis retrouvé avec des livraisons en "compte gouttes", sans vraiment pouvoir tester grands chose. Ce n'est pas très dérangeant étant donné que cette partie de "test" était "facultative", le projet ne commençant officiellement qu'au second semestre.

Enfin, la rédaction du wiki fut également un peu chronophage mais nécessaire. Surtout que ce wiki est également le seul moyen simple que chacun (professeurs et membres du fabricarium notamment) puisse connaître l'avancement du projet ainsi que les lignes directrices du travail effectué.

Semaine 1

Semaine 2

Documents Rendus