Version du 23 janvier 2019 à 15:21

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 extruder a filament pour imprimante 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 adaptés 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 aguerries 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 le 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 désire 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 concurrencé 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'ingénieur. Dans ce fabricarium se trouve plusieurs imprimantes 3D qui sont très utilisées par les élèves. Cependant il y'a pas mal de déchets plastiques issues des impressions ratés 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 fils 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 ?

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 mise 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

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

• Moteur +/- 2kW
• Switch - https://fr.rs-online.com/web/p/interrupteurs-a-bascule/0419732/
• Cordon d'alimentation

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

• Motoreducteur avec une vitesse de rotation d'environ 30 à 40 tr/min
• 2 Tige fileté 10mm
• Visserie
• Foret pour bois de 16mm de diamètre et de 460mm de long
• Band Heater M-2929-2 150 W https://fr.rs-online.com/web/p/bandes-chauffantes/3742785/
• Rallonge de robinet de diamètre 27mm et 500mm de long
• Bouchon d'obturation femelle pour rallonge de 27mm de diamètre - https://www.leroymerlin.fr/v3/p/produits/lot-de-2-bouchons-a-visser-laiton-f-20-x-27-pour-tube-en-cuivre-e9375

Partie électronique

• Contrôleur de température PID - version DC 12V (peut être fait par nous-même)
• 2 Ventilateurs 80mm - https://www.gotronic.fr/art-ee80251b1-a99-19158.htm
• Switch - https://fr.rs-online.com/web/p/interrupteurs-a-bascule/0419732/
• Afficheur 7 segments https://fr.rs-online.com/web/p/afficheurs-led/7192389/
• Capeur de température https://fr.rs-online.com/web/p/capteurs-de-temperature-a-resistance-platine/1007532/
• Thermoucouple K + convertisseur MAX6675 https://www.gotronic.fr/art-thermocouple-k-convertisseur-max6675-23515.htm

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.

Liste des tâches à effectuer

Calendrier prévisionnel

Réalisation du Projet

Feuille d'heures

Prologue

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
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  Schéma de fonctionnement du moteur à courant continu

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  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 à courant continu
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  Schéma de fonctionnement du moteur à courant continu

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  Schéma équivalent du moteur à courant continu

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

Semaine 2

Documents Rendus