P5 Imprimante 3D à Chocolat - projets-ima.plil.fr

P5Imprimante3DàChocolat

ProjetIMA42015/2016

HugoVandenbunderSylvainVerdonck

Tuteurs:EmmanuellePichonatAlexandreBoéXavierRedonThomasVantroys

2015/2016—ProjetIMA4 P5Imprimante3Dàchocolat

SylvainVerdonck—HugoVandenbunder 2

SOMMAIRERemerciements..............................................................................................................................................................3Introduction...................................................................................................................................................................4

Solutionsenvisagées&retenues...................................................................................................................................5

Extrusion....................................................................................................................................................................5Imprimante................................................................................................................................................................5

Contrôledelatempérature.......................................................................................................................................5Développementtechnique............................................................................................................................................7

Listedumatérielutilisé..............................................................................................................................................7

Contrôledelatempérature.......................................................................................................................................7Capteurdetempérature........................................................................................................................................7

Chauffageduréservoir..........................................................................................................................................7Contrôledelapression..............................................................................................................................................8

Capteurdepression...............................................................................................................................................8Imprimante3D...........................................................................................................................................................9

Impression&achatdespièces..............................................................................................................................9

Assemblage,configurationetcalibration..............................................................................................................9Programmes.............................................................................................................................................................10

Arduinodédiéàlarégulation..............................................................................................................................10

Arduinodédiéàl’impression...............................................................................................................................11

Communicationentrelesdeuxsystèmes............................................................................................................12Tests.........................................................................................................................................................................13

Améliorations...............................................................................................................................................................14

Isolation...................................................................................................................................................................14Matériaux.................................................................................................................................................................14

Gestiondepression.................................................................................................................................................14

Capteurdepression.............................................................................................................................................14CommandeCompresseur....................................................................................................................................14

Refroidissement.......................................................................................................................................................14Arduino....................................................................................................................................................................15

Imprimante..............................................................................................................................................................15

Conclusion....................................................................................................................................................................16Annexes.......................................................................................................................................................................17

Raccordtuyaudecuivre..........................................................................................................................................17

Autresmodificationsdufirmware...........................................................................................................................18DiagrammeLabview................................................................................................................................................19



REMERCIEMENTSNoustenonsàremerciernostuteursdeleursoutiencontinuet lesréponsesqu’ilsontsunousapportés

lorsquenousétionsbloqués.

Et nous remercions chaleureusement Thierry Flament et Antoine Urquizar qui nous ont éclairésrespectivementsurlechocolatetdenombreusesquestionsd'électroniques,etsurlesimprimantes3D.



INTRODUCTIONLedomainedesimprimantes3Destenpleineexpansion,avecunmarchéquiexplose,unecommunauté

d’adeptequigranditetdeplusenplusd’applicationsvariées,allantduspatialauculinaire.

Lebutdeceprojetestdeconstruireune imprimante3Dàbascoûtpermettantd’utiliserdesmatériauxcomestibles,lechocolatcommeexemple,quiseranotrepremierobjectif.

Onpeutd’oresetdéjàretrouverdesmachinesimprimantdesmatériauxcomestiblesdanslecommerce,tellesquelaFoodiniouencorelaChocEdge.Lapremièrepermettantd’imprimertouttypede“matériaux”liquideet même comestibles, alors que la seconde se concentre sur l’impression du chocolat. Néanmoins ces deuximprimantesnécessitentderemplirunecartouched’unmatériaudéjàliquide.C’estunelimitequenousessayeronsdedépasseraucoursdeceprojet.Notrebutestdeconcevoirunsystèmecapabledechaufferet faire fondre lechocolat(oulematériauqu’onveututiliserquelqu’ilsoit),pourqu’ilpuisseêtreextrudéparlasuite.



SOLUTIONSENVISAGEES&RETENUESPourcommencer,nousdivisons laréalisationdeceprojetendifférentesthématiquesdontnousdevons

envisagerlessolutions.Nousachèteronsensuitelematérielnécessaireàlaréalisationdelasolutiontechniquequianotrepréférence.Nousnouscontentonsd’explorerunesolution,puisqueletempsallouépourceprojetnenouspermetpasd’enfaireplussansbâclerletravail.

EXTRUSION Le chocolat, ou tout autrematériau culinaire, présente des caractéristiques qui font que lesméthodesd’extrusiond’uneimprimanteclassiquenesontpasapplicables.Demanièregénérale,leproblèmeestlesuivant:ilnousfautunsystèmepour“pousser”lematériauendehorsdenotreréservoir.Deplus,sil’onsouhaitel’utilisationdematériauxvariés,ilfautquelapousséesoitréglable.

Nousréfléchissonsdoncàunsystèmedevissansfin,depistonavecunvérinouencoreunsystèmeàaircomprimé.Lesdeuxpremiers rendent lesystèmemoinsaccessible,etdoncplusdifficileàdémonteretnettoyerentre les utilisations. Il y a un risque d’encrassement qui remette en cause le fonctionnement normal. C’estpourquoinousavonsoptépour ladernièreoption.Bienqu’ellenousajoutedegrossescontraintesd’étanchéité,nous estimons cette solution plus viable pour la durabilité du système. C’est aussi la méthode la plus propre,puisquedel’airpousseralematériau.

IMPRIMANTE La réalisation du projet nécessite une imprimante 3D fonctionnelle, et bien que notre sujet propose laconstructiond’uneimprimante3Dàpartirdepiècesderécupérations,unetelleentrepriseconstitueraiunprojetensoit.Néanmoins,acheteruneimprimantedetoutespiècesnousétaitimpossible,puisquelebutduprojetestdeproposerunesolutionàbascoûts.

C’est pourquoi nous avons saisi l’opportunité d’utiliser un kit acheté par le Fabricarium de l’école quin’avaitpasétéexploité.Ilcomprenaittouteslespiècesélectroniquesd’uneimprimantemodèlePrusai3,lespartiesmécaniquesrestantàachetercequilimitaitlecoûtetletempsdeconstructiondemanièrenonnégligeable.

CONTROLEDELATEMPERATURE Nous ne souhaitons pas nous limiter à l’impression d’un chocolat préalablement fondu ou encore auxmatériaux liquidesà températuresambiantes,c’estpourquoiuncontrôlede la températureestnécessaire.Pourréguler un système, nous avons besoin demesurer la valeur qu’on veutmodifier, et pouvoir agir dessus. Nousavonsenvisagéd’utiliserdesmodulesPeltieroudufilrésistifpourlechauffage,etunesondedetempératuretypePT100pourunemesuredelatempérature.

LesmodulesPeltieretsondesPT100impliquantuncoûtrelativementélevé,nousnousdécidonspourlefilrésistifetuncomposantélectroniquecapteurdetempérature.



Lessolutionsquenousavonsretenuesnouspermettentd’établirleschémadeprincipesuivant:

FIGURE1-SCHEMADEPRINCIPE

Nous avons un réservoir qui contient de l’air comprimé. A l’aide de l’électrovanne, on injecte de lapression dans le réservoir à chocolat qui est chauffé par le fil résistif. C’est en régulant l’ouverture del’électrovanne, que l’on contrôle la vitesse d’extrusion, le chocolat sera poussé à l’extérieur du réservoir.



DEVELOPPEMENTTECHNIQUE

LISTEDUMATERIELUTILISECompresseur

Tuyaupneumatique

Raccordsenté

Bouteilledesoda(réservoiràaircomprimé)

Électrovanne

Tuyauencuivre

Filrésistif

Mousseisolante

Pièces3Dimprimées

Arduino

Résistancesx2

Relaisélectrique

Capteurtempérature

(Capteurdepression)

Transistorsx2

Papiersulfurisé

CONTROLEDELATEMPERATURE

CAPTEURDETEMPERATURE Pour utiliser le capteur de température acheté, nous avonsconçu une carte électronique qui nous permet de relier plusfacilementlespinsetdel’enficherdanslapièced’extrusionpouravoirlamesurelaplusprécisepossible.L’idéeestdefairepasserlesfilsparl’arrièredelacarte,pourquelecapteursoitauplusprocheduproduitdansnotreréservoir.

CHAUFFAGEDURESERVOIR

On utilise un tube en cuivre comme réservoir, autour duquel on enroule le fil résistif. Pour limiter lerayonnementdufil,etconcentrerlachaleurversletube,onentourecemontaged’unemousseisolanterécupérée.Letuyauétantencuivre,conducteurd’électricité,ilprovoqueuncourt-circuitaveclefilrésistifquil’empêchedechauffer.Pourisolerélectriquementcesdeuxéléments,toutenconservantlaconductionthermique,nousutilisonsdupapier sulfurisé.Pourunesolutionpluspermanente,nousproposonsd’enduire lecuivredevernisouencored’utiliserunefeuilledemica.

FIGURE2-PCBCAPTEURDETEMPÉRATURE



Onfixeensuitecetuyauàl’imprimanteviaunepièceimprimée.Cettepièceprendletuyaudansunepinceserréeparunevis.

FIGURE3-FIXATIONDEL’EXTRUDEUR

CONTROLEDELAPRESSION

CAPTEURDEPRESSION Lecapteurdepressionachetés’estavérédedimensionstroppetitespour lestechnologiesdesouduredontnousdisposons.NotretuteurM.Boéanéanmoinsessayéde le souder sousmicroscopeà la colle argent,mais cela s’est avéré trop fragile et lecapteurn’apaspuêtreutilisé.

Nous avions prévu une carte pour utiliser ce capteur, qui permettait detendredesfilsentreledessusducomposantetlacarte.Lecapteurétantcollésurlacarte.Sonentréed’air,souslecomposant,étaitalimentéepardessous.

FIGURE4-CAPTEURDEPRESSION

FIGURE5-PCBCAPTEURDEPRESSION



IMPRIMANTE3D

IMPRESSION&ACHATDESPIECES Aprèsuninventairecompletdespiècesdontnousdisposions,nousavonscommencéàimprimerlespiècesdisponiblesgratuitementsurinternet.Cespiècesconstituentunebonnepartiedelamécaniquedel’imprimante,etc’estunmoyenefficacedediminuerlescoûtsdeconstructiondenotreimprimante.Ilanéanmoinséténécessaired’acheterquelquescompléments,tellesquelestigesmétallique,visetécrous. Enfin, lechâssiset leplateauontétéréalisésenbois,découpéàladécoupeuselaserduFabricarium,unefoisdepluspourréduirelecoûtdenotremachine.

ASSEMBLAGE,CONFIGURATIONETCALIBRATION. Aprèsavoirrépertoriénospièces,nousavonsentamélemontagedel’imprimanteensuivantleguidedemontageetunevidéo.Nousn’avonspasmontél’extrudeursurl’imprimante,puisqu’ilnousestinutiledansnotreprojet.

FIGURE6-NOTREIMPRIMANTE3D

Ensuite,uneconfigurationdufirmwareinterneestnécessaire.DisponibleenOpenSource,leMarlins’estimposé sur lemarché de l’imprimante 3D, et est facilement adaptable à de nombreux types d’imprimantes. Laconfigurationdespartiesmécaniquesestlaseulenécessaire,n’ayantniextrudeur,niplateauchauffant,lagestionde température est totalement omise dans notre système. Cette configuration se développe en définissant lespositionsmaximales sur chaqueaxe, lavitesseet lenombredepasdesmoteurs. Il était toutefoisnécessairedevérifier le sensdesmoteurs,etdechanger leurvaleurdans le firmwareoud’inverser lesbranchements,dans lemauvaiscas.

Pourvérifierlacalibrationetlebonfonctionnementdel’imprimante,onattachedefaçonrudimentaireuncrayondeboisàlapartiemobile,onfixeunefeuilledepapiersurleplateauetonadaptelahauteur.Onlancealorsl’impression d’un cube. Résultat concluant : un cube se dessine sur la feuille de papier. Pour vérifier la bonnecalibration, on imprime le même cube en 3D et on compare les dimensions des deux cubes. L’expérience estconcluante,doncnotreimprimanteestfonctionnelle.



PROGRAMMES

ARDUINODEDIEALAREGULATION

PARTIEELECTRONIQUE Sur unArduinoUno que l’on contrôle grâce à LabView, on régule l’impression via la température et lapression.Untransistornouspermetd’alimenterounonl’électrovanneà12V,cequilametenpositionouverte.

Pourlefilrésistif,nousdevonscombineruntransistoretunrelais,puisquenousfaisonspasser5Ampèrespourlefairechauffer.Letransistoralimentelerelaisquipermetl’alimentationdufil.

FIGURE7-SCHEMADUMONTAGED'ALIMENTATION

PARTIELABVIEW OnutiliselelogicielLabview,largementutiliséenentreprisepourcetypederégulation.OnlecoupleavecunArduinopuisque lescomposantshabituelsquivontavecce logicielsontexcessivementchers. LeprogrammeLabview se compose de deux parties: une face avant qui fait l’interface avec l’utilisateur, et un diagrammequiformeleprogramme.

FIGURE8-FACEAVANTLABVIEW



FIGURE9-DIAGRAMMELABVIEW

Leprogrammeaunfonctionnementsimple:

Oninitialisel’Arduinoparlebloctoutàgauche,etonentreensuitedansunebouclequines’arrêtequ’àlapressiondubouton«Finduprogramme».

Oninitialiseensuitelesportsqu’onvautiliser,etonentrealorsdansdeuxsous-programmesdifférents: Le programme de gestion de la température. On trouve ici la lecture de la valeur du portanalogiqueconnectéaucapteurdepression.Paruncalculonretrouvelavaleurdelatempérature.Cettevaleurestcomparée via un PID à la valeur demandée par l’utilisateur. Le PID permet d’envoyer une valeur de 0 à 10 enfonction de l’approche de la valeur demandée par la valeur mesurée. Ce qui nous permet de ralentirprogressivementlachauffe.Ensuite,si l’utilisateuraallumélarégulationdetempérature, lavaleurfourniepar lePID permet de laisser chauffer le fil plus ou moins longtemps par rapport à son temps de repos. C’est unfonctionnementproched’unsystèmedePWM.

Le programme de gestion de la pression fonctionne sur un principe similaire. Si l’utilisateur aactivél’impression,onenvoieun1àl’Arduinos’occupantdecettepartie,etonalimenteégalementl’électrovanne.OnrestesurunprincipedePWM,où l’électrovanneresteau reposuncertain temps,et l’utilisateurchoiside lalaisserouverteplusoumoinslongtemps.

Enappuyantsurleboutonstop,onfermeproprementlacommunicationavecl’Arduinovialebloc“close”àdroite.

ARDUINODEDIEAL’IMPRESSIONFourni avec le kit, unArduinoMégapour contrôler l’impression.On installe dessus le firmwareMarlin,

disponible en OpenSource. C’est ce programme que l’onmodifie pour ajuster l’impression classique à celle duchocolat. Ces changements doivent être activés par l’utilisateur avant le lancement dans l’impression, pour celanous avons ajouté l’option «enable/disable chocolate» dans le menu «prepare», grâce aux manipulationssuivantes.



Danslefichierultralcd.cppetplusprécisément,danslafonctionlcd_prepare_menu,silemodechocolatestactivé,onafficheunmessagepourledésactiver,etvice-versa. Dans les deux cas, ce choix renvoie vers lamême fonction: lcd_set_choco.Nous avons définit lesmessagesMSG_EN_CHOCOetMSG_DIS_CHOCOdanslefichier de langage: language_en.h (à retrouver enannexe).Nousn’avonspasdéfinitcesmessagesdanslesautreslangues.

Cette fonction change l’état d’unevariableexterne,globaleàtouslesfichiers,quipermetdesavoirsi l’utilisateuràchoisiounond’imprimerduchocolat:chocolate_mode.

COMMUNICATIONENTRELESDEUXSYSTEMESPour que l’Arduino Uno qui régule la pression et la température puisse donner l’ordre d’imprimer à

l’ArduinoMéga,nousdéfinissonsunedespinsdudernierenlecture,etnousajoutonscecodedanslaboucledufichier«Marlin_main.cpp»:

Onvérified’abordque lemoded’impressionduchocolatabienété sélectionné, et que l’on est en train d’imprimer. On lit avaleur sur la pin de communication. Lorsqu’on trouve un ordred’arrêt d’impression (0), on lance l’instruction pause.L’impression est alors bloquée, jusqu’à ce qu’un ordred’impression (1) soit lu, alors on lace l’instruction de reprised’impression.

Ilaéténécessairedetrouverunpinnonutiliséesparl’ArduinoMégapoureffectuercetteliaison,cequines’estpasrévélésimplepuisquelemontageélectroniquedecetArduinon’apasétéconçuparnossoins.

Toutes les modifications apportées au firmware sont encapsulées dans une définition, qu’il suffit decommenterpourdésactivertouschangementsliésàl’impressionduchocolat.

FIGURE10-LCD_PREPARE_MENU

FIGURE11-LCD_SET_CHOCO

FIGURE12-LOOP



TESTSLorsdesderniersjours,nousavonsassemblétoutnotresystème

pourtenterdesimpressionsdechocolat.Nousenavonsextrudéunpeu,mais très vite l’étanchéité s’est révélée problématique. Néanmoins, àpartirdecesessais,nousavonspuvalidernotremodèle.

FIGURE13-TESTD’EXTRUSIONDECHOCOLAT



AMELIORATIONS Même si notre système est fonctionnel sur le principe, il est améliorable pour le rendre tout à faitutilisable.

ISOLATION Le problème principal pour imprimer du chocolat, ou tout autre matériau aussi visqueux, c’estl’étanchéité.Pourcommencer,nousavonsmodélisésnousmêmescertainespiècesdenotreextrudeur,quenousavonsensuite imprimésen3D. LePLAétant imprimépar couche, il n’estpas totalementétanche,d’autantplusaveclesdéfautsd’impressions.Cespiècescomportaientdoncdegrossesfuites.Nousavonsessayédepallieràceproblèmeenaugmentantl’épaisseurdenospiècesetenaugmentantlessurfacesdecontactentrelespiècesetletuyau,mais cette solution n’était pas suffisante. La solution logique serait de réaliser ces pièces enmétal, en yajoutantunpasdevis,pourgarantirunemeilleureétanchéitéentrelesélémentsdusystème.

Pour s’assurer d’une étanchéité maximale, nous proposons d’incorporer de vrais joints entre lesdifférentespiècesdenotresystème.Ceux-cigarantirontl’absencedefuites.

MATERIAUX Silebutestd’imprimerdelanourriture,c’est-à-dired’ingérerlespiècesimprimées,ilseranécessairederemplacer le cuivre et le PLA par des métaux alimentaires, comme l’acier inoxydable. Pour des raisonséconomiquesetdesimplicitéd’acquisition,nousavionsoptépourlecuivre,quisuffisaitamplementpournostests.

GESTIONDEPRESSION

CAPTEURDEPRESSION Lecapteurdepressionacheténeconvenaitpasausystème,etc’estpourquoiactuellement,nousutilisonslemanomètreducompresseurpourmesurerlapression.Cependant,intégreruncapteurutilisabledanslesystèmeetliresavaleursurl’ArduinoUnoesttoutàfaitenvisageable.

COMMANDECOMPRESSEUR De plus, pour automatiser totalement la régulation de la pression, nous préconisons l’utilisation d’uncompresseuràcommandenumérique.EnmodifiantlégèrementlecodeLabview,nouspouvonsgénérerlessignauxdecommandespourcecompresseurenfonctiondelapression.(i.e.mesurepressiontropfaible:pauseimpression–activercompresseur)

REFROIDISSEMENT Fautede tempsnousn’avonspasdu tout incorporéde solutionspour refroidir l’impression.De ce fait,notresystèmepourraitimprimerdesobjetsavecratiovolume/surfacefaible,telquedesdécorationsdegâteaux.Sil’utilisateur souhaite imprimer des structures réellement en 3D, alors un système de refroidissement devientnécessaire.

Nousproposonsdeuxpistesdesolutions:Enpremierlieu,ilfaudraitrefroidirlechocolatdirectementensortied’extrudeur,pourcelaunpetitventilateurattachéàl’extrudeuretbienorienté,telqu’onentrouvesurunextrudeur classique, serai tout à fait efficace. Ensuite, si l’imprimante se trouve dans une pièce à températureambianterelativementélevée,ildevientcohérentd’isolerl’imprimanteàl’aided’uneenceintethermiquerefroidie.



ARDUINO Pour faciliter le développement de notre projet, nous n’avons développé séparément la régulation detempératureetpressionducontrôledel’impression.Cependant,commeLabViewfonctionneavecunprogrammeàimplémentersur l’Arduino, ilestenvisageablederassembler lesdeux,etainsi,den’utiliserqu’unseulArduino,l’ArduinoMégaquialamémoiresuffisantepouraccueillirlesdeuxprogrammes..

IMPRIMANTE L’imprimanteestfonctionnelle,néanmoinsrajouterunpeud’habillagepouréviterquelesfilsélectriquesainsiquelespiècesbougent.Unvraisupportpourl’écranLCDseraitunplus.

Actuellementilmanqueunepiècepourattachernotreextrudeuràlapiècemobilesurlesaxes.

Enfin, lorsque l’ArduinoUnoordonned’arrêter l’impression, ilyaundélaiavant l’arrêt. Ilestdûau faitque l’Arduino Méga charge une série d’instructions qu’il exécute, avant de poursuivre son code. Ce délai, quiprovientdufirmwareoriginal,estuneproblématiqueintéressantepuisqu’ilimpliqueraitdeserreursd’impression.



CONCLUSIONNous obtenons une imprimante fonctionnelle, et un extrudeur dont nous avons validé le principe.

Néanmoins, certaines améliorations sont nécessaires pour que l’extrusion de chocolat, ou autre matériauxalimentaires, soitopérationnel.Nousespéronsavoir construit lesbasesetproposé lesproblématiquesde futursprojets.

L’imprimante3Destunetechnologiefascinante,etceprojetaétéavanttoutl’occasiondes’yfamiliariser,par le biais d’impression de pièces, de construction et calibration de l’imprimante et de la compréhension etmodification de son firmware. De plus, l’utilisation de Labview et du langage de programmation C++, rarementpratiqués dans le cadre de nos études, constituent une bonne pratique de l’apprentissage par soit même,compétencenécessaireauxingénieurs.

Enfin, c’était aussi une première réelle expérience de gestion de projet, et de ses aléas. Nous avonsnotammentrencontrésdesproblèmesavecundenosfournisseurs,cequinousaretardé.Nousavonsnéanmoinssunousadapterpouravancerdansleprojet.

Suiteànotretravailsurlefirmwaredenotreimprimante,l’undenousaeul’opportunitédetrouversonstagedansl’impression3D,dansledéveloppementdufirmwared’uneimprimante3Dàbéton.



ANNEXES

RACCORDTUYAUDECUIVRE

FIGURE14-PIECESDERACCORDDUTUYAUDECUIVRE



AUTRESMODIFICATIONSDUFIRMWARELedefineautorisenoschangementsdufirmware,etondéfinitunevariableexterne.

Ondéfinit lesvariablesglobales,etonutilise lavariableexterne.Dans lafonctionsetup,ondéfinit lapinutiliséepourlacommunicationcommeuneentrée.

Pour définir les messages à afficher dans le menu «prepare» par l’item correspondant.

FIGURE17-FICHIERLANGUAGE_EN.H

FIGURE15-FICHIERCONFIGURATION.H

FIGURE16-FICHIERMARLIN_MAIN.CPP



DIAGRAMMELABVIEW

FIGURE18-DIAGRAMMELABVIEW

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