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Materials et désigne de l’imprimante 3D

Materials et désigne de l’imprimante 3D

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1     INTRODUCTION

L’imprimante 3D est une machine réalisant des fonctions mécaniques telle qu’un déplacement ou un positionnement, pour cela on ’a besoin d’actionneurs comme les moteurs pas à pas et des technique et moyens pour la transmission des informations tel que la carte programmable Arduino avec des logiciel informatique.

De nombreux paramètres définissent la qualité d'impression d'une machine donnée. Bien ajuster l'alignement des éléments structurels et le serrage des courroies peuvent changer le résultat du tout au tout sur la machine.

Hors des considérations de rigidité, d'alignement et de serrage, une autre limite va être le diamètre de la buse. La sortie de la buse est le point duquel le plastique fondu sort pour être déposé sur la pièce. Plus la sortie de la buse sera étroite, plus le "chemin" de plastique extrudé sera fin, et plus il sera possible d'imprimer des détails de petite taille. Ce n'est pas toujours important pour des pièces techniques ou mécaniques, mais il peut l'être énormément pour des pèces artistiques. Le diamètre le plus courant d'une buse est de 0.5mm.

2     Conception de la partie mécanique

2.1   Vitesse d'impression

La vitesse d’impression en elle-même est définie par la vitesse de dépôt du filament par la buse, dans le cadre d’un travail détaillé, la vitesse devra être adaptée.

2.1.1 Réduire l'inertie

Pour remplir sa tâche, l'imprimante 3D déplace des éléments les uns par rapport aux autres (la buse se déplace par rapport au lit). Plus ces éléments sont légers et plus ils vont vite, plus leur inertie sera transférée dans la structure de la machine lorsque leur direction s'inverse. C'est ce qui cause une réduction de qualité lorsque la vitesse augmente (la machine est "secouée"). Hormis la solution d'augmenter la rigidité de la machine, une autre est de réduire le poids des éléments en mouvement.

Une autre option pour limiter la masse déplacée est de limiter le poids de l’ensemble extrudeur (moteur de l'extrudeur, buse).

2.1.2 Résolution des axes

Chaque axe est contrôlé par un moteur pas à pas. Ce genre de moteur se déplace d'un pas à la fois. De façon générale, ils ont 200 pas par tour. Les pilotes sont ensuite capables d'ajouter plus de finesse en faisant des micropas, ils séparent chaque pas en 16 micropas. Le driver peut donc positionner le moteur avec une précision de 16 x 200 = 3200 pas pour chaque tour. Cependant, la valeur par tour n'est pas intéressante en soi, le firmware souhaite savoir de combien de micropas il doit faire tourner le moteur pour avancer d'un millimètre. Par exemple pour une tige filetée qui déplace l'axe de deux millimètres pour chaque rotation, il y’ aura 16 x 200 x (1 / 2) micropas par millimètre. Cette valeur doit être fournie par le firmware pour qu'il puisse faire les mouvements aux bonnes côtes.

2.2   Vitesse d’avance vers le point de repère

C’est la vitesse de l’imprimante lorsque qu’elle se déplace vers son point de repère. Attention aux unités. Plusieurs vitesses ou accélérations dans le programme Marlin sont exprimées en [mm/s] ou [mm/s2], mais il s’agit ici de [mm/min].

2.3   Distance de déplacement entre (courroie, poulie) et pas du moteur

Le contrôleur doit savoir le nombre d’impulsions à envoyer aux moteurs pour effectuer un déplacement d’un millimètre sur un axe donné. La façon de le calculer est de diviser le nombre d’impulsions par le nombre de millimètre pour la même distance parcourue, dans ce cas une rotation complète du moteur. Le nombre d’impulsions total est le nombre d’impulsions par révolution du moteur multiplié par le nombre de microsteps par impulsion du contrôleur.

2.4   Les caractéristiques de l’imprimante 3D

Cette imprimante possède aussi un volume utile défini par la surface de la plaque d'impressionne et par le débattement des trois axes X, Y et Z, plus simplement la longueur des guidages linéaire. Il sera donc utile de connaître les données suivantes pour commencer à configurer le firmware et calibrer la machine :

·         Des tiges à guidage linéaire pour l'axe X, Y et Z.

·         Courroies des axes X, Y et Z.

·         Surface de la plaque d'impression.

·         Débattements des axes X, Y, et Z une fois l'extrudeur monté et les endstops fixés.

 

2.5   Matière de fabrication

Selon les caractéristiques mentionnées ci-dessus, machine plus rigide, vitesse de déplacement, on a choisi des matières de fabrication qui conviennent à ces paramètres, et qui sont disponible sur le marché, on a déjà imprimé beaucoup de pièces par l’imprimante 3d réalisée lors de soutenance de la licence.

2.5.1 ABS (Filament)

ABS ou L'acrylonitrile butadiène styrène, est un polymère thermoplastique présentant une bonne tenue aux chocs, relativement rigide, léger et pouvant être moulé.

Screenshot_3.png

Figure II. 1. ABS(Filament).

2.5.2 Profilés d'aluminium

On a utilisé le profilé d'aluminium pour réaliser le cadre et les axes.

 

Screenshot_4.png

Figure II. 2. Profilés d'aluminium

2.5.3 La vitre

Pour entourer la machine, et éliminer l'effet de la température externe sur la qualité de l’impression.

Screenshot_5.png

Figure II. 3. La vitre. [19]

 

2.6   Extrudeur

C’est un mécanisme composé de plusieurs pièces qui contrôle la quantité de la matière injectée, il y’a plusieurs types d’extrudeurs, celui qu’on a utilisé est de type MK7, son principe de fonctionnement est d’entraîner le filament vers la buse chauffante qui fond le filament avec une roue dentée motorisée.

L’extrudeur est le mécanisme le plus important de l’imprimante, la buse qui se déplace en micromillimètre, demande une grande précision quand elle se déplace durant l’impression, c’est pour cela qu’il ne faut aucun frottement, aucune vibration durant l’impression, la partie mécanique de la machine est la plus essentielle pour offrir cette précision sur les axes de déplacement.

 

 

2.6.1 Composants de l’extrudeur

Screenshot_6.png

Figure II. 4. Composants de l’extrudeur. [20]

·         Repère 01 : Moteur pas à pas : Le moteur est la source de la force qui pousse le fil pour l’entrainer dans la buse. Grâce à ce dernier on peut contrôler la quantité de la matière injectée.

·         Repère 02 : La buse pas à pas : C’est la tête d’impression, le diamètre de la buse est de 0.4 mm, La sortie de la buse est le point duquel le plastique fondu sort pour être déposé sur la pièce.

·         Repère 03 : Bloc chauffant pas à pas : Fabriqué en aluminium, contient une résistance qui chauffe le bloc a une température de fusion du fil, la chaleur de fusion reste constante dans le bloc, c’est là où le plastique fond. Une thermistance qui contrôle la chaleur.

·         Repère 04 : Guide pas à pas : c’est un tuyau de plastique pour guider le filament.

·         Repère 05 : Résistance pas à pas : Chauffe le bloc chauffant.

·         Repère 06 : Ventilateur pas à pas : Utilisé pour refroidir le fil (s’il se chauffe le fil va patiner) et refroidir le moteur.

·         Repère 07 : Radiateur pas à pas : Pour dégager à l’extérieur la température de moteur et de fil.

·         Repère 08 : Pignon d’entrainement pas à pas : Relié au moteur, le pignon d’entrainement accroche le fil et le pousse ver la buse.

·         Repère 09 : Roulement pas à pas : Est en parallèle avec le pignon d’entrainement, utiliser pour serrer le fil et le pousser vers la buse.

 

2.7   Guidage linéaire

Le guidage linéaire est un dispositif qui permet de déplacer de façon longitudinale des objets ou des charges. Les guidages linéaires sont des éléments de guidage pour des mouvements en translation. [21]

Le guidage Linéaire :

·         Permettent des déplacements linéaires mono-axes ou multi-axes.

·         Assurent la translation de charges des plus légères aux plus lourdes.

·         Offrent des positionnements extrêmement précis : jusqu’à 2µm pour une course de 100 mm (soit une précision de 2 pour 100 000 !).

·         Autorisent des vitesses de déplacement élevées (jusqu’à 10 m/s).

·          Peuvent être courts (quelques cm) ou très longs (> 8 m).

·          Modulaires, ils permettent des modifications ou des extensions aisées.

·          Silencieux, ils se prêtent bien à des utilisations sensibles.

·          Conçus avec le minimum de frottements, ils ne nécessitent la plupart du temps qu’une puissance d’entraînement réduite. [21]

 

Screenshot_7.png

Figure II. 5. Guidage Linéaire.

2.8   La poulie

Screenshot_8.png

Figure II. 6. Poulie.

2.8.1 Caractéristiques de la poulie[22]

·         Nom : Gt2 Poulie 20 dents Alumium Bore 5mm.

·         Pas de dent : 2mm.

·         Nombre de dents : 20.

·         Diamètre : 12mm.

·         Diamètre du trou : 5mm.

·         Adaptabilité : des 2 cotés.

·         Largeur max de courroie : 7mm.

·         Matière : Aluminium. [22]

2.9   Axes

Les Axes sont en acier inoxydable, utilisés pour le déplacement des axe X, Y et Z.

2.9.1 Axe X, Y et Z courroie, poulie

Sur l’axe X, Y et Z Le déplacement se fait avec une courroie relier avec une poulie, qui transforme un déplacement rotationnel a un déplacement linéaire le déplacement de la poulie égale au déplacement de la courroie c.-à-d. si la poulie tourne avec une distance de 1mm la croie aussi déplace avec 1mm.

Screenshot_9.png

Figure II. 7. Axe X, Y et Z courroie, poulie. [23]

2.9.2 Impulsion par millimètre

Pour calculer la précision de notre imprimante, il faut définir le nombre l’impulsion envoyé aux moteurs pour déplacer un millimètre, et la distance déplacer pour une impulsion. Cella il y a une relation entre les pas de moteur et le diamètre de la poulie.

·         Impulsion par mm = Nombre de pas par unité de filament, ici millimètres.

·         Impulsions par rev = Nombre de pas du moteur, 200 par révolution du moteur de 1.8°.

·         Microsteps = Valeur du micro-pas du driver du moteur, 16.

·         Pas dent = Distance entre 2 dents de la poulie, 2mm.

·         Nbr dent poulie = Nombre de dents du la poulie, 20.

·         Précision mm = Distance de déplacement pour une seul impulsion.

Application numérique

 Impulsion par millimètre = 80.

Calcul de précision

La précision est de calculer la distance de déplacement pour une seule impulsion.

On a :

Application numérique

  Pour une impulsion on a un déplacement de 0,0125 millimètre.

2.10 Contrôle de l’Extrudeur

 

 Figure II. 8. Extrudeur. [24]

2.11 Impulsion par Millimètre

L’extruder a le même système que l’axe X, Y et Z on calcule la quantité de la matière entrainer dans la buse.

·         Impulsion par mm = Nombre de pas par unité de filament, ici millimètres.

·         Impulsions par rev = Nombre de pas du moteur, 200 par révolution du moteur de 1.8°.

·         Microsteps = Valeur du micro-pas du driver du moteur, 16.

·         Diamètre entrainement = Diamètre de la vis d’entrainement du filament, 11mm.

·         Précision mm = Distance de déplacement pour une seul impulsion. Pi = 3.14159.

 

Application numériqu

                                                      

Calcul de précision

     La précision est de calculer la distance de déplacement pour une seule impulsion.

On a :

                       Pour une impulsion on a un déplacement de 0,01052 millimètre.

3     Conception de la partie commande

3.1   Présentation des pièces électroniques

Tableau II. 1. Présentation des pièces électroniques.

Articles

Quantité.

Moteurs NEMA 17

4

Arduino mega2560

1

USB câble

1

Ramps 1.4

1

Stepstickpololu A4988

5

Resistance (extrudeur)

1

Capteur de fin de course (endstop)

4

Alimentation ATX

1

Ventilateur

4

Thermistor

2

Lit chauffant

1

Afficheur LCD

1

3.2   Les moteurs pas à pas

Les moteurs pas à pas sont des transducteurs électromécaniques qui assurent la conversion des signaux électriques digitaux ou impulsionnels en mouvement de rotation ou de translation de type incrémental.

Il existe deux types de moteurs : Bipolaire et unipolaires.

Ils existent trois types de moteurs pas à pas : les moteurs à aimant permanent, les moteurs à reluctance variable ainsi que les moteurs hybrides.

Malgré les différences existantes entre les moteurs, le résultat recherché est l’avance d’un seul pas, c’est-à-dire la rotation de leur axe suivant un angle déterminé à chaque impulsion que l’une ou l’autre de leurs bobines recevra. Cet angle qui varie selon la constitution interne du moteur, est en général compris entre 0.9° et 90°.

Les moteurs les plus couramment rencontrés présentent des pas de :

·         0.9° soit 400 pas par tour.

·         1.8° soit 200 pas par tour.

·         3.6° soit 100 pas par tour.

·         7.5° soit 46 pas par tour.

·         15° soit 24 pas par tour.

Il est envidé que les moteurs pas à pas, de par leurs technologies, présentent une très grande précision et une durée de vie quasi illimitée, l’usure mécanique étant pratiquement inexistante (absence de frottement). La figure II-9 en représente l’aspect externe. Leur domaine de prédilection sera donc ceux ou la précision est de rigueur : les constituants mécaniques de l’informatique et la robotique.

Figure II. 9.  Vue d'ensemble d'un moteur pas à pas. [25]

 

Les moteurs pas à pas existent entre différentes tailles qui varient entre 1 cm et plus d’une dizaine de centimètres. Tout dépendra des applications dans lesquelles ils seront utilisés. Le plus petit moteur, par exemple, sera destiné au déplacement des têtes de lectures dans les disques durs ou un couple très faible est requis. Par contre le déplacement du bras d’un robot ou un chariot (machine CNC) demandera un couple nettement plus important, donc un moteur de diamètre élevé.

Signalons que le couple est exprimé en kilogramme par centimètre (kg.cm-1), ce qui définit le poids en kilogrammes que pourra soulever l’axe d’un moteur pourvu d’un bras de longueur exprimée en centimètre.

La valeur de leur tension d’alimentation varie dans de grandes proportions, et elle peut être comprise entre 3V et plusieurs dizaines de volts. De même, selon la résistance ohmique de leurs bobinages, le courant consommé s’étendra dans une gamme allant de quelques dizaines de milliampères à plusieurs ampères. En résumé, nous pourrons dire que plus le courant sera enlevé, plus le couple sera important.

Les moteurs pas à pas peuvent être classés en fonction du phénomène physique qui est à l’origine de leur mouvement. On distingue principalement, deux catégories de moteurs pas à pas : les moteurs à reluctance variable et les moteurs polarisés. [25]

 

3.2.1 Moteur Bipolaire

Les bobinages d'un moteur bipolaire sont alimentés une fois dans un sens, une fois dans l'autre sens. Ils créent une fois un pôle nord, une fois un pôle sud d'où le nom de bipolaire. [26]

Figure II. 10. Représentation d’un schéma du moteur bipolaire. [26]

3.2.2 Moteur unipolaire

Les bobinages d'un moteur unipolaire sont alimentés toujours dans le même sens par une tension unique d'où le nom d'unipolaire. [26]

Figure II. 11. Représentation d’un schéma du moteur unipolaire. [26]

3.2.3 Moteurs à aimant permanent

C’est le modèle dont le fonctionnement est le plus simple. Le rotor est constitué d’un aimant permanent, et le stator comporte deux paires de bobines. En agissant sur les bobines alimentées, et le sens des courants, on fait varier le champ créé par le stator.

A chaque pas, la direction du champ induit par le stator tourne de 90°. L’aimant permanent suit le déplacement du champ magnétique créé par les bobines et s’oriente selon une de ses quatre positions stables. Comme le rotor est aimanté, lorsque le moteur n’est pas alimenté le flux magnétique dû à l’aimant permanent crée un couple résiduel en se plaçant dans l’axe de l’une des bobines.

Pour augmenter le nombre de positions stables et donc de pas du moteur à aimant permanent, on peut alimenter successivement une puis deux paires de bobines :

C'est le mode "demi-pas". A chaque pas, la direction du champ induit par le stator tourne de 45°. Dans ce mode, le couple est différent pour les pas pairs et impairs.

Les moteurs pas à pas à aimant permanent ont un couple moteur important, mais un nombre de pas par tour faible, et une fréquence de rotation maximale faible. La commande de ces moteurs pas à pas nécessite de contrôler le sens du courant dans chaque bobine. [27]

3.2.4 Moteurs à réluctance variable

Le rotor est en fer doux et comporte un nombre de pôles différent du stator. Le rotor se déplace pour que le flux le traversant soit maximum. Ces moteurs n'ont pas de couple de maintien si aucune bobine n'est alimentée. [27]

3.2.5 Moteurs hybrides

Le rotor est constitué par deux pièces en fer doux ayant chacune n pôles séparées par un aimant permanent magnétisé dans le sens de l'axe du rotor. Le nombre m de pôles du stator est différent de celui du rotor. Le rotor se déplace pour que le flux qui le traverse soit maximum. En mode pas entier, les bobines sont alimentées paire par paire alternativement avec inversion à chaque pas. Il est nécessaire d'avoir un rotor polarisé pour imposer le sens de rotation à chaque commutation.

Un modèle classique comporte un stator avec 8 pôles ayant chacun 5 dents et un rotor avec 2 pièces de 50 dents ce qui donne 200 pas par tour en mode "pas entier". [27]

3.2.6 Pourquoi des moteurs Pas à Pas ?

Avantages

·         Rotation constante pour chaque commande.

·         Existence de couple à l’arrêt.

·         Contrôle de la position, de la vitesse et synchronisation de plusieurs moteurs (de besoin de contre-réaction).

·         Moteur sans balais.

Inconvénients

·         Plus difficile à faire fonctionner qu’un moteur à courant continu.

·         Vitesse et couple relativement faible.

·         Couple décroissant rapidement lorsque la vitesse augmente.

·         Résonance mécanique.

3.2.7 Le Moteur Nema 17

Pour cette partie, nous avons utilisé 4 moteurs pas a pas identiques : un pour chaque un des axes X, Y, Z et E.

Les moteurs qu’on a utilisés sont du modèle Nema 17. Notre choix sur ce type de moteur est essentiellement dû à leur précision élevée : pas de 1,8°.

Figure II. 12. Architecture du moteur pas à pas Nema 17. [28]

3.2.8 Calibration des moteurs

Objectif : ajuster le courant des moteurs pas à pas à un niveau correct.

Les moteurs doivent être silencieux lorsqu'ils fonctionnent et peuvent occasionnellement produire des sons musicaux, particulièrement lors de mouvements circulaires. S’ils sont très bruyants, alors il y a un problème.

Remarque : Un mauvais réglage de courant peut endommager les pololus et/ou les moteurs.

 3.2.9 Symptômes :

Moteurs très bruyants : Cela signifie généralement que le réglage de courant est très élevé.

Moteur vibrant autour d'un point : Cela signifie généralement que le courant est réglé trop bas pour vos moteurs. Un 'point dur' sur un axe peut être également la cause du problème.

Mouvements avec pauses puis reprises : Le courant peut être trop élevé ce qui produit une surchauffe du pololu et l'activation de la sécurité du pololu. Réduisez l'intensité du courant fourni. Cela peut aussi provenir du firmware, mais vérifiez les moteurs d'abord. [29]

3.3   Présentation de l'Arduino Mega [30]

L’Arduino Mega c’est une carte électronique basée sur le microcontrôleur ATmega1280. Elle dispose de 54 broches numériques d'entrée/sortie (dont 14 peuvent être utilisés comme sorties PWM), 16 entrées analogiques, 4 UART (ports série matériels), un oscillateur cristal de 16 MHz, une connexion USB, une prise d'alimentation, et un bouton de remise à zéro. Elle contient tout le nécessaire pour soutenir le microcontrôleur.

Figure II. 13.  Le microcontrôleur ATmega1280. [30]

3.3.1 Caractéristiques techniques

Le tableau II-2 résume les caractéristiques principales de l’Arduino Mega.

Tableau II. 2.  Les caractéristiques de l’Arduino Mega.

Microcontrôleur

ATmega2560

Tension de fonctionnement

5V

Tension d’alimentation (recommandé)

7-12V

Tension d’alimentation (Limites)

6-20V

E / S numériques

54 (dont 15 fournissent la sortie PWM)

Pins d’entrée analogique

16

Courant pour les E/S

40 mA

Courant pour 3.3V

50 mA

Mémoire flash

128 KB dont 4 KB utilisé par bootloader

SRAM

8 KB

EEPRON

4 KB

Vitesse de l’horloge

16 MHz

 

 

Figure II. 14. Représentation de la Carte Arduino Mega.

3.3.2 Implémentation de la carte Arduino sur la carte principale

Pour le montage de la carte Arduino, on dispose de plusieurs types de connections avec les autres composants dans carte de commande. Le schéma ci-après illustre les différents types d’interfaces.

 

Figure II. 15.  Le bloc de contrôle.

3.4   Le bloc de commandedes moteurs pas à pas

Le bloc de commande des moteurs pas à pas se compose de quatre circuits : Quatre circuits A4988connecté respectivement aux quatre moteurs pas à pas des axes X, Y, Z et E.

3.4.1 Le circuit A4988 [31]

Il permet de contrôler des moteurs pas-à-pas bipolaires en micro-pas avec un maximum de 2 ampères par bobine. Il se distingue par :

Voici quelques caractéristiques clés de ce circuit :

·         Interface de contrôle de pas et de direction simplissime.

·         5 résolutions différentes de pas :

§  Pas complet

§  Half-step : 1/2 pas

§  Quarter-step : 1/4 de pas

§  Eighth-step : 1/8 ième de pas

§  Sixteenth-step : 1/16 ième de pas

·         Contrôle en courant ajustable un potentiomètre permet de fixer le courant maximum. Cela permet d'utiliser une tension supérieure à celle recommandée par le moteur (puisque le courant est limité) et permet ainsi d'atteindre un débit de pas plus élevé (et donc une vitesse plus élevée).

·         Une commande de hachage intelligente qui sélectionne automatiquement le bon mode de décroissance de courant (fast decay = baisse/chute rapide du courant OU slow decay = chute lente).

·         Protection (arrêt) en cas de surchauffe, sous tension, surcharge/surcourant/court-circuit. Utile en cas de surcharge/blocage moteur (car le courant va monter en flèche, ce qui doit provoquer la mise en protection).

Figure II. 16. Le circuit A4988.

3.4.2 Montage du circuit A4988

Pour parvenir au montage du A4988, il faut distinguer ses différents pins ainsi que leurs fonctionnalités. La figure suivante montre l’architecture des pins ainsi et leurs rôles.

Figure II. 17.  Schéma de branchement du circuit A4988.

·         Enable : Logique Inversée, permet d'activer ou désactiver le moteur. Etat Haut=High=Moteur actif... et axe bloqué entre les pas. Etat bas=Low=Axe totalement libre.

·         MS1, MS2, MS3 : permet de sélectionner la configuration Step/MicroStep. Ces broches disposent de résistances Pull-Down ramenant le potentiel à 0v lorsque rien n'est connecté sur ces broches.

·         Reset : Logique inversée. Permet de faire une réinitialisation du module. Généralement connecté sur la broche "sleep".

·         Sleep : Logique inversée. Généralement connecté sur la broche "Reset" du module.

·         Step : Envoyer un signal d'horloge (Niveau Haut puis Niveau bas, High puis Low) pour avancer le moteur d'un pas.

·         DIR : Permet d'indiquer la direction de rotation du moteur. Etat Haut=High pour tourner dans un sens, Etat bas=Low pour tourner dans l'autre sens.

·         VMot : Tension d'alimentation du moteur. Habituellement 12V pour les moteurs pas à pas. Tension entre 8 et 12v.

·         GND : Sous "VMOT", masse pour l'alimentation moteur. Habituellement mise en commun avec la masse de logique de commande (celle sous "VDD").

·         2B 2A : Première bobine du moteur pas à pas bipolaire.

·         1A 1B : Deuxième bobine du moteur pas à pas bipolaire.

·         VDD : Alimentation de la logique de commande entre 3 et 5.5v. Habituellement 5V.

·         GND : Sous "VDD", masse de la logique de commande. Souvent mise en commun avec la masse d'alimentation du moteur.

3.4.3 Implémentation du circuit A4988 sur la carte principale

Nous avons réalisé quatre montages similaires aux circuits A4988 sur la carte de commande (Figure II -17).

Figure II. 18. Montage du circuit A4988 sur la carte de commande.

Alimentation : Le circuit A4988 est alimenté avec 12V.

Commande : Les trois pins de commande : Enable, Step et Dr, sont connecté directement à la carte de commande Arduino, pour assurer la commande du nombre des pas et la direction.

Configuration : Les trois pins de configuration MS1, MS2 et MS3 sont connecté directement a 5V pour activer le mode de commande 1/16 ième de pas.

3.4.4 Instructions

Chaque module Pololu dispose d'un potentiomètre de réglage situé à côté du radiateur. Ce potentiomètre contrôle l'intensité du courant délivré à chaque moteur. Le fait de tourner le potentiomètre dans le sens anti-horaire (inverse des aiguilles d'une montre) réduit le courant envoyé au moteur. Le tourner dans le sens horaire augmente le courant délivré.

Commencez par diminuer le courant jusqu'à ce que le moteur commence à vibrer sur place au lieu de tourner normalement puis tourner le potentiomètre dans le sens des aiguilles d'une montre, 1/8ème de tour par 1/8ème de tours jusqu'à ce que le moteur commence à tourner. Tourner enfin le potentiomètre d'1/8ème de tour supplémentaire pour finaliser le réglage.

3.5   Ramps 1.4

La Ramps (RepRap Arduino Mega Pololu Shield) est une carte conçue pour piloter le circuit de puissance d'une imprimante 3D et pour y connecter les différents senseurs, stop- ends, etc.

3.5.1 Différents connecteurs du Ramps

A partir de ce schéma, on commence à mieux entrevoir où se branchent les différents composants électroniques, essentiellement les moteurs, thermistors de température, afficheurs LCD, lecteur SD, résistance extrudeur, ventilateur de l’extrudeur, lit chauffant, end stop, illustré par la photo de la figure II -18.

Figure II. 19. Branchement carte Ramps 1.4. [32]

3.6   Les capteurs de température

Pour la mesure de la température du plateau d’impression et de la tête d’extrusion on a utilisé deux capteurs de température CTN.

Figure II. 20. Capteur de température CTN de 3kΩ.

La figure suivante montre les connecteurs des deux capteurs utilisés sur la carte de commande.

Figure II. 21.  Montage des capteurs de température sur la carte de commande.

Les deux capteurs sont connectés aux bornes TMP1-1, TMP1-2, TMP2-1 et TPM2-2.

On alimente les deux avec 5V et on reçoit les données sur l’Arduino à l’aide de deux pins analogiques (A13 et A14).

Les CTN à bille de verre dispose des caractéristiques suivantes :

·         100K Ohm à 25°C ;

·         Une réponse plus rapide (en temps) et une meilleure précision ;

·         Meilleure stabilité ; ü Bonne résistance aux efforts mécaniques ;

·         Petite taille, léger et abordable ;

·         Température de fonctionnement entre : -40 à +350 degrés Celsius ;

·         Constante thermique (temps) : moins de 5s ;

·         Valeur Béta (K) : 3950K ;

·         Température de fonctionnement maximale : 350°C ;

·         Température d'utilisation min : -55°C ;

·         Résistance : 100kohm ;

·         Type de thermistance : NTC ;

·         Utilisable pour de hautes températures et en environnement humide.

3.6.1 Le bloc des chauffants et de ventilateur

Ce bloc contient les circuits de puissance utilisée pour commander les deux résistances chauffantes et le ventilateur.

Les résistances chauffantes sont utilisées pour chauffer le plateau d’impression et la buse d’extrusion.

On a placé un ventilateur pour refroidir le système de la tête d’extrusion.

Pour ces composants qui fonctionnent en 12V/10A, pour ça nous avons utilisé des transistors mosfet STP55NF06L.

3.6.2 Présentation du circuit STP55NF06L [33]

Les caractéristiques principales de ce mosfet :

·         Polarité transistor : Canal N.

·         Courant de drain : 55A.

·          Tension Vds max : 60V.

·          Résistance : 0.014ohm.

·          Dissipation de puissance : 95W.

·          Nombre de broches 3Broche(s).

·          Température de fonctionnement max : 175°C.

Figure II. 22. Mosfet STP55NF06L. [33]

La figure suivante montre le schéma d’un mosfet de canal N.

Figure II. 23.  Mosfet canal N. [33]

Un transistor MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), est un type de transistor à effet de champ. Comme tous les transistors, le MOSFET module le courant qui le traverse à l'aide d'un signal appliqué sur son électrode centrale nommée grille.

3.7   Le capteur fin de course (EndStop)

Dans notre system on a trois capteurs fins de cours placer a l’extrémité inferieur de chacun des trois axes X, Y et Z pour que l’imprimante ne dépassera pas la limite inferieur de la zone de travaille.

Figure II. 24. Capteur Fin de Course (EndStop).

La figure suivante montre le placement des connecteurs des trois capteurs sur la carte de commande.

Figure II. 25. Montage des connecteurs des capteurs fin de course sur la carte.

Les capteurs qu’on a utilisés deviennent conducteurs lorsqu’il y’a un contact, pour ça on a relié les trois capteurs au vcc (5V) et on mesure la tension de sortie des trois capteurs avec l’Arduino.

3.8   Le bloc d’afficheur LCD et de la carte SD

Ce bloc se compose de deux organes un afficheur LCD et une carte SD ces deux composants sont essentiels dans la commande de notre imprimante.

L’afficheur LCD affiche les données de notre imprimante (température, position...), et la carte SD est utilisée pour récupérer les données d’impression.

3.8.1 Le module utilisé

Ce bloc se compose de deux organes un afficheur LCD et une carte SD ces deux composants sont essentiels dans la commande de notre imprimante.

L’afficheur LCD affiche les données de notre imprimante (température, position...), et la carte SD est utilisée pour récupérer les données d’impression.

Figure II. 26. LCD smart Controller.

3.8.2 Placement sur la carte

Les pins de l’écran LCD et ceux du lecteur de carte sont connectés directement aux pins de Ramps 1.4 board.

La figure suivante montre le montage qu'on a fait sur la carte

Figure II. 27. Connexion des pins de l’LCD et de la carte SD.

3.9   Lit chauffant

Est la table de l’imprimante est représenté par la figure II-24, contient un circuit chauffant fixé sous le plan de travail, il permet une bonne répartition de la chaleur sur la plaque de travail.

Cette chauffe est obligatoire ou très conseillée pour avoir une bonne accroche du filament et éviter le phénomène de Wrapping (les bords des pièces se décollent).

L’impression sur un lit chauffé permet à la partie imprimée de rester chaude pendant le processus d'impression et permet plus même le rétrécissement de la matière plastique.

Le lit chauffant donne généralement une qualité supérieure fini construit avec des matériaux tels que l’ABS et PLA.

3.9.1 Description

·         Couleur : Rouge.

·         Taille : Ø22cm.

·         Alimentation : 12V ou 24V.

·         Résistance entre 1,0 et 1,2 ohm.

·         La puissance est 144W.

·         Courant maximal 5A.

·         Température maximale 130 °C.

Figure II. 28. Lit chauffant.

4     Partie désigne

4.1   Introduction

Dans notre choix de désigne on a eu deux possibilités une imprimante cartésien ou delta donc notre projet est la réalisation d’une imprimante delta. Le principe de fonctionnement de ces imprimantes delta est celui des (Robot delta).

4.2   Le Robot Delta

C’est un robot ayant un bras de manipulation formé de 3 parallélogrammes, sa légèreté, lui permet d'être rapide et de garder sa charge dans la même orientation. Il fait partie de la famille des robots parallèles parfois appelés hexapodes. Parmi ces caractéristiques : Légèreté, précision et rapidité.

Figure II. 29. Concept de robot Delta.

4.3   Concept utilisé

C'est un design inspiré par les robots delta a 3 Articulation prismatiques et 12 Rotule à 6 Degrés de liberté.

4.4   Pourquoi delta

Donc ce désigne a été choisi par ce qu’il est compact et facile a réalisé, Il est à base de profilés d’aluminium et quelque pièce a imprimé le but de l’impression de ces parties.

Premièrement c’est moins cher que l’usinage de ces dernier et la deuxième des choses c’est que on a pris une impriment cartésien et les faire tout seul dans cette étape nous a bien familiarisé avec l’impression 3D et le software a utilisé ainsi que les problèmes a résoudre et la maintenance de cette dernière.

Notre design n'est pas inspiré d'une idée originale, mais d'un complément, Des améliorations telles que des vitres extérieures, des supports anti-vibrations, etc.

Le concept clé de l’imprimante delta est l'utilisation de parallélogrammes qui limitent le mouvement de la plate-forme d'extrémité à une translation pure, c'est-à-dire uniquement un mouvement dans la direction X, Y ou Z, sans rotation.

La base de l’imprimante est montée au-dessus de l'espace de travail et tous les actionneurs sont situés sur celle-ci. De la base partent trois bras articulés au milieu. Les extrémités de ces bras sont reliées à une petite plate-forme triangulaire. L'actionnement des liens d'entrée déplace la plate-forme triangulaire dans la direction X, Y ou Z, L’actionnement peut se faire à l'aide d'actionneurs linéaires ou rotatifs, avec ou sans réduction.

Comme les actionneurs sont tous situés dans la base, les bras peuvent être fabriqués dans un matériau composite léger. De ce fait, les parties mobiles de l’imprimante delta ont une faible inertie. Cela permet une vitesse et des accélérations très élevées. Le fait que tous les bras soient reliés ensemble à l'effecteur augmente la rigidité de l’imprimante, mais réduit son volume de travail.

Avec une manière d’exécution impeccable et un résultat final de très bonne qualité on a validé tous les paramètres et les dimensions de notre imprimante.

4.5   Le principe de fonctionnement de l'imprimante

L'imprimante 3D Delta possède trois tours ou axes similaires. Les trois axes de coordonnées sont notés A, B et C. Chaque tour est composée d'un profilé d’aluminium et d'un chariot qui monte et descend sure ces derniers. Chaque chariot a deux bras parallèles de même longueur qui se connectent à la plate-forme effectrice (support d'extrudeuse).

Pour s'assurer que les bras sont parallèles, les points de connexion sur chaque chariot et la plate-forme effectrice doivent être à la même distance les uns des autres. Les bras parallèles des chariots se connectent à la plate-forme effectrice pour forcer le plan de l'effecteur à être parallèle au plan du lit.

L’origine de ces coordonnées est le centre de l'imprimante Delta.

La vue de dessus de la figure 4 montre les axes X et Y sur le lit. Chaque tour est située à égale distance de l’origine à 120° l'une de l'autre.

Les coordonnées X et Y sont obtenues à partir du mouvement synchronisé des trois paires de bras pour que la buse se rende à un point précis. La coordonnée Z, en revanche, est obtenue lorsque tous les chariots montent ou descendent. Son origine est obtenue lorsque la buse touche le lit. Tout cela est réalisé grâce à des commandes que le contrôleur utilise pour s’assurer la position de chacun des chariots. La figure.II.30 montre la vue de dessus de la conception proposée.

 

Figure II. 30.Le principe de fonctionnement.

Le mouvement du chariot est réalisé à l'aide d'un moteur pas à pas NEMA 17, d'une poulie, d'une courroie et d'un tendeur. Toutes les pièces sont assemblées pour produire une tour, ce qui est illustré à la figure.II.31.

Pour le Mécanisme d'extrusion La technologie d'impression 3D utilisée est le Fusion Déposition Modeling (FDM). Le mécanisme d'extrusion utilise également un moteur NEMA 17 pour tirer le filament de manière contrôlée. Pour réduire le poids sur l'effecteur et les bras, le mécanisme d'extrusion est adapté, Avec ce type d'extrudeuse, l'ensemble moteur lourd repose sur la plaque supérieure et seuls l'extrémité chaude et les ventilateurs de refroidissement reposent sur l'effecteur. L'ensemble moteur de l'extrudeuse a la figure.II.32.

 

Figure II. 31. Extrudeuse.

Une partie du mécanisme d'extrusion est déplacée en éloignant le moteur et le support du moteur de l'extrémité chaude ou bien monté sure un des tours d’aluminium.

Cela réduit le poids des pièces mobiles, ne laissant que l'extrémité chaude (nozzle) placé au-dessus de l’effecteur. Des impressions précises et des vitesses d'impression plus élevées sont obtenues car il faut moins d'élan pour changer de direction. Un tube en téflon est connecté à l’ensemble moteur de l'extrudeuse à l'extrémité chaude (nozzle) pour diriger le flux de filament.

4.6   Objectifs de conception

·         Jeu nul.

·         Vitesse : 320 mm/s dans les 3 directions.

·         Résolution : 100 pas/mm dans les 3 directions.

·         Répétabilité : Meilleure que 0,03 mm (30 microns).

·         Volume de construction : Cylindrique, 170 mm de diamètre, 240 mm de hauteur.

·         Empreinte : Triangle, 300 mm de largeur (240 mm OpenBeam + coins imprimés).

·         Hauteur du cadre : 600 mm.

·         Surface d'impression : Verre rond chauffé, ne bouge pas.

·         Masse de l'effecteur final avec le bloc chauffant : Moins de 50 grammes.

·         Simplicité : Moins de 200 pièces.

·         Coût du matériel : Moins de 600 dollars américains.

·         Calibrage entièrement automatique du niveau de la surface d'impression (auto-leveling).

5     Conclusion

       Dans ce chapitre nous avons présenté la conception mécanique et la conception de commande des différents organes qui composent notre imprimante 3D.

       Pour cette fin, nous avons établis les relations entre le pas du moteur et la distance de traction, selon les trois axes X, Y et Z, et la relation entre le pas de ce dernier et la longueur et le volume du filament poussé pour la tête d’extrusion.

        Nous avons vu ce qui est utilisé pour alimenter la carte de contrôle (firmware). Ces relations seront la base de la mise en œuvre de la partie programmation et commande.

        Enfin, nous avons parlé du design et des raisons pour lesquelles nous avons choisi Delta.

 

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