Voile et Electronique : Christian Couderc

Le principe
Utilisations pour l'amateur
La réalisation pratique
Les problèmes
Le déroulement du projet
Une approche alternative
Concurrence : Usinage 3D
Petit scanner optique 3 D
Le fil à couper le beurre
Liens

Maj : 20/06/04
Abstract :
Stereolithography is a process for creating models in volume, a kind of 3D printer, or more exactly an xyz tracing board, using resin with polymerisation activated by a light source controlled by a program reading a 3D drawing. This system is used for all rapid prototyping, for creation of small artistic objects and mechanical models. Optical scanner. Hot wire.
Résumé :
La stéréolithographie est un processus pour créer des modèles en volume, une sorte d'imprimante en 3D, ou plus exactement une table traçante xyz, utilisant de la résine avec polymérisation activée par une source lumineuse contrôlée par un programme lisant un dessin en 3D. Ce système est utilisé pour tout le prototypage rapide, pour la création de petits objets artistiques et maquettes mécaniques. Scanner optique. Fil chaud.

Le but du dispositif est de réaliser un volume complexe en 3D, avec des parties cachées, en résine photosensible, polymérisée par un faisceau de lumière piloté par un calculateur. C'est un pléonasme de parler de stéréo et de 3D, mais c'est l'appellation généralement admise.

A faire une copie parfaite d'une statue ou œuvre d'art, scannée par simple scanner laser. Pour les petites pièces, on utilise un socle tournant et une diode laser, qui palpe la surface sans contact en mode télémètre. C'est facile à réaliser mais très lent, et évidement cela ne meut pas rendre les parties cachées en creux. Le résultat est un clone parfait en résine dure, qui peut être peint métallisé et traité. Les autres utilisations nécessitent de modéliser la forme à réaliser par un puissant logiciel de CAO 3D. Vous ne voyez toujours pas ?

Exécution de l'incroyable sculpture des sept boules d'ivoire ajourées, faites à l'origine dans un bloc d'ivoire que l'artiste taille pendant des mois avec de petites aiguilles et outils, au travers de la dentelle des boules extérieures. Au final les sept boules en dentelle d'ivoire tournent l'une dans l'autre. Cette merveille est très facile à réaliser avec le dispositif, mais le fichier d'usinage est complexe à écrire pour un premier essai !

C'est évidemment la plus courante. Tous les designers l'utilisent pour visualiser très exactement la forme et la mettre en place avant de lancer la fabrication du moule. Toutes les culasses, les capots, les hélices et les pièces devant s'imbriquer dans un ensemble complexe sont réalisées ainsi en phase prototype. L'objet obtenu est l'exacte image du futur produit industriel, en résine dure, la précision peut être du centième de millimètre, avec une mécanique soignée. Il est souvent métallisé par la suite, pour offrir un aspect proche de la pièce de production.
Le formidable outil "Katia " permet de concevoir les innombrables pièces d'un avion ou d'une fusée, les manipuler et les mettre au point dans des délais autrefois inimaginables.
L'amateur peut approcher ces techniques de rêve avec de petits moyens, les pièces seront évidement plus petites et la polymérisation bien plus longue, mais le budget infiniment plus faible...
Une des appellations commerciales racoleuse est "Télécopie 3D ", cela ne veut pas dire grand chose mais est spectaculaire. En réalité un fichier STL est transmis pour commander "l'usinage ".

Nous avons avec ce matériel réalisé le même téléporteur que dans la série, nous pouvons recréer une forme à distance en envoyant un fichier (par Internet, radio, signaux de fumée...).
C'est bien ce qui ce passe dans le phénomène de téléportation, à quelques détails près.
L'original n'est pas détruit, c'est une forme virtuelle, représentée par un fichier, il n'y a rien de possible à détruire, mais vous pouvez toujours exécuter un otage pour le plaisir.
Vous pouvez faire autant de clones que désiré (bien plus fort que Startrek !).
Ce n'est pas instantané, mais Startrek n'est pas filmé en direct non plus, c'est une vieille série !
Cela ne marche qu'avec les objets pour le moment, il reste encore quelques détails mineurs à régler pour créer des êtres vivants, mais on y travaille.

Réaliser de superbes horreurs d'art pompier, après des semaines de modélisation 3D, genre pince à linge, cendrier ou tasse à café pour les plus artistes est une fin en soi... Mais non, je plaisante, vous pouvez aussi faire une boule de billard, la modélisation 3D est plus facile, commencez par une bille puis augmentez le diamètre. L'important n'est pas ce que l'on veut en faire mais comment cela fonctionne.

C'est exactement comme découper l'objet final en tranches en un millier de feuilles de bristol, empiler les fines dentelles obtenues, le résultat final est la forme 3D originale.
L'intérêt de ce projet est de montrer qu'un amateur peut réaliser facilement avec un peu d'astuce un matériel donnant des résultats équivalents à des produits professionnels à plus de 60.000 €, même si la source UV du bricoleur est moins puissante, la polymérisation sera simplement beaucoup plus longue.
Il ne faut pas avoir peur de se lancer, cette application fait appel à diverses techniques, chacune étant à la portée de l'amateur astucieux qui a quelques possibilités de récupérations. C'est l'opportunité de récupérer quelques surplus qui crée l'envie de se lancer dans ce projet !

La photochimie est l'application des résines polymérisant à la lumière. Cela n'a rien de sorcier, nous n'allons évidement pas nous lancer dans la recherche fondamentale sur les résines, c'est un bien trop vaste sujet. Nous sommes de modestes utilisateurs, nous irons voir notre vendeur local de résines, nous consulterons les fiches techniques de ses produits pour négocier un bidon de résine contre quelques dizaines d'euros.
La fiche nous donne la couleur (fréquence) de la lumière qui polymérisera la résine, pour une énergie donnée. Nous passons ensuite à la deuxième technique.

La technique laser nous permet de fournir une lumière extrêmement intense sur un point minuscule. Nous devrons récupérer un laser de la bonne couleur auprès d'un copain qui en réforme un à son travail, ou dans une casse spécialisée. Cela peut être évidement le point bloquant si l'on ne possède pas les bons contacts. Il faut évidement associer le bon laser à la résine disponible, la plage de sensibilité est étroite !
Il est possible de contourner le problème avec une boîte à lumière au début, mais la perte est considérable, la raie spectrale sera très peu énergétique et les temps d'exposition inacceptables.

Encore un coup de chance, il faut trouver une mécanique et ne pas avoir peur de bricoler. La mécanique ne sera jamais un problème, il est possible de commencer avec un montage très rustique et l'améliorer par la suite.

Le prototypage rapide est maintenant très répandu et les outils sont normalisés. Il existe d'excellents logiciels de traitement 3D, du plus simple à Katia…Les outils spécialisés sortent directement les commandes STL. Si vous ne disposez que d'un outil de dessin basique, il faudra écrire les outils. Le langage est simple mais l'optimisation de l'usinage est délicate pour s'assurer que toutes les parties sont réalisables avec les déplacements de l'outil le plus efficace.

Il faut réaliser la forme en volume tranche par tranche. Nous allons utiliser un aquarium, en enlevant provisoirement les poissons qui feraient des vagues. L'aquarium est rempli de résine. Un plancher en grillage peut être déplacé en hauteur, il servira de support à la forme à réaliser. L'opération commence en montant le plateau à ras de la surface. Au-dessus de cette surface, un mécanisme analogue à une table traçante, déplace en XY une tête optique, objectif de microscope, éclairée par une boite à lumière via une fibre optique. La tête est déplacée pour éclairer chaque point de la tranche de la forme prévue, la lumière est très concentrée sur une très petite surface. Le programme balaye toute la tranche à polymériser, puis éteint la source. La première tranche en dentelle dure est réalisée. Le programme commande maintenant l'enfoncement du support d'un dixième de millimètre puis relance le balayage pour polymériser la tranche suivante. En procédant ainsi tranche par tranche la forme complète est crée. Pour un objet de 10 cm de haut, il y aura donc 1000 tranches réalisées pas à pas. C'est évidemment très long, suivant la complexité de la forme, une tranche peut prendre plusieurs minutes. En estimant à une minute par tranche, 1000 tranches prennent 1000 minutes soit 17 heures. Ce n'est pas un problème, un automate gère les déplacements. Les données sont transférées du PC ayant effectué le calcul, point par point, par liaison infrarouge, la cuve est préparée et le processus lancé.

Immersion dans la cuve image non clickable de 2.9 ko

L'idéal est d'installer la cuve à la cave (ça sonne bien...) a l'abri de la lumière et des vibrations. Quand la pièce est finie, l'automate active une pompe qui vide la cuve et laisse la pièce s'égoutter. Une autre pompe peut remplir la cuve d'un liquide de rinçage qui isole la pièce de l'air en attendant de la sortir. Il ne reste plus qu'à récupérer le chef d'œuvre. Il suffit donc de lancer l'opération et de laisser faire puis de revenir le lendemain ou deux ou trois jours plus tard pour récupérer l'objet fini. Je pense avoir été assez clair, il n'est pas utile de joindre les schémas. La table XY est une récupération de table traçante, facile à trouver en occasion, sans autre modification que le découpage d'une fenêtre dans la planche support de feuille. Cette planche est posée comme couvercle sur l'aquarium rempli de résine La plume est remplacée par la tête de microscope qui est focalisée sur la surface de la résine.
La partie la plus délicate, bien qu'assez simple, consiste à déplacer le plateau bien parallèlement à la surface liquide par pas d'un dixième de millimètre. Ce mécanisme se trouve tout fait sur une vielle imprimante, pour déplacer la tête. Il y a le pas à pas très précis, la longue vis hélicoïdale et le chariot. Il faut en récupérer trois identiques et fixer le plateau en trois ponts. Le palier inférieur et le chariot baignent sans problème dans la résine, qui ne durcit que dans les zones éclairées par le balayage.

Le plus difficile n'est pas la réalisation de la mécanique, encore moins de la carte contrôleur qui est très simple. Le système marche parfaitement une fois que le temps exact d'éclairage a été mis au point; trop court la résine ne durcit pas assez et la sculpture est molle, trop long, la pièce à des sur-épaisseurs.

Le très gros problème sera de trouver un fournisseur capable de vous procurer des échantillons de résine pour les premiers tests, et ensuite des quantités à prix acceptables, en fonction du laser que vous avez récupéré.
Commencez impérativement par maîtriser ce problème qui peut être rédhibitoire. Si vous n'avez pas ces deux éléments, ne commencez pas à penser à la mécanique, le projet capotera avec certitude.

Ne vous inquiétez pas de la difficulté de dessiner un bel objet original en CAO. Vous commencerez par des formes très simples pour tester votre mécanique. Le dessin sera ensuite converti en un fichier de commandes STL…
Vous avez bien compris que les découpes et formes les plus complexes peuvent être réalisées, il suffit de prévoir des pieds pour supporter les tranches qui ne sont pas encore tenues par les parties supérieures. La pièce est évidemment créée de la tranche du bas vers la tranche supérieure.
Avec un peu d'habitude vous saurez résoudre les multiples petits problèmes, comme la réalisation d'une cuvette concavité vers le haut qui serait vide de résine au centre à cause de la tension superficielle, la résine étant peu mouillante. Soit vous prévoyez un trou au point bas à la conception, soit vous descendez un peu le plateau, avant de le remonter en position de polymérisation de la nouvelle tranche pour permettre à la cavité d'être remplie bien de résine. à vous les beaux objets en résine de synthèse…

La toute première étape est de se procurer un peu de résine pour commencer les tests. Il faut trouver quelques centimètres cubes en échantillon chez un distributeur de produits chimiques ou, si vous le persuadez que vous n'allez pas lui faire de concurrence, chez le maquettiste local.
Nous avons vu que c'était un très gros problème.
Les dentistes utilisent des résines polymérisées par la lumière, mais à des prix inaccessibles...

Muni de la fiche produit de la résine il faut réaliser la boite à lumière de la bonne couleur et son optique pour éclairer la fibre optique terminée par son petit objectif. Attention toujours travailler avec lunettes de protection, les UV sont invisibles mais très dangereux pour la vue. Il est évident qu'un laser sera bien plus performant, mais il est possible de commencer petit...
Il faut maintenant tester la polymérisation. Disposer quelques gouttes de résine sur une plaque en verre, elle est assez fluide pour s'étaler en couche mince. Maintenez l'objectif à la bonne distance pour qu'il focalise sur la vitre, en le guidant avec une règle montée sur des cales. Déplacez-le régulièrement à la main, en chronométrant diverses vitesses pour déterminer le temps de polymérisation, déterminez la vitesse approximative, ce n'est pas la peine d'être précis, il suffit d'avoir un ordre de grandeur, un facteur trois est suffisant, vous affinerez ensuite quand le matériel sera opérationnel, suivant le résultat de l'objet. Ce temps dépend dans d'énormes proportions de la qualité de la boite à lumière.
Admettons que vous ayez trouvé une vitesse approximative de déplacement de 1 cm en 3 secondes, pour durcir sur 1 mm de large, une épaisseur de 1/10 de mm. La vitesse optimale finale sera donc comprise entre 1 cm par seconde et 0.1 cm par seconde.

Vous pouvez maintenant commencer vos premiers essais avec un matériel très simple. Récupérez un vieux tourne-disque sur lequel vous installerez un petit cristallisoir.
Avec des cales en bois et deux serre-joints, installez un rail sur lequel est collé un réglet. Sur ce rail coulisse la tète optique qui peut se déplacer sur un diamètre. Plus le rayon est grand, plus la vitesse radiale est grande et moins le volume de résine recevra d'énergie. La première réalisation sera donc une série de cylindres emboîtés qui seront très utiles pour calculer les possibilités de son matériel et déterminant les énergies de polymérisation nécessaires, qui se traduiront par une vitesse de déplacement et l'épaisseur d'une tranche de résine. Il faut allumer le laser sur un seul tour. Cela se fait automatiquement en collant un aimant sur le plateau et un ils (Interrupteur à Lames Souples) qui donne une impulsion par tour. Un poussoir déclenche une bascule au prochain top, le top suivant arrêtant le cycle.
Il faut repérer le rayon sur la règle pour tester les polymérisations (en progression racine de deux). Une fois les tranches de cylindres polymérisées, il faut rajouter à la pipette graduée une nouvelle quantité de résine pour faire monter le niveau d'un dixième de millimètre. La tète optique, montée sur écrou et vis, sera remontée d'autant.
Ce système très rustique est largement suffisant pour déterminer la faisabilité du projet.

Le plus gros est fait, il ne reste plus qu'a récupérer une table traçante d'occasion, en cherchant un peu vous en trouverez des superbes pour 50 €, ce matériel n'est plus utilisé en A4 car les imprimantes font beaucoup mieux. Les tables traçantes ne conservent leur intérêt que pour les grands formats, il n'existe pas d'imprimante à prix acceptable en A0 ! Il reste à découper un trou dans la planche, monter l'objectif relié à sa fibre à la place de la plume et bricoler le plateau ascenseur, puis poser le tour sur l'aquarium.

Pour réaliser le projet, utilisez une carte microcontrôleur et un cpu que vous maîtrisez déjà. Le logiciel est simple, mais ce n'est pas la peine de rajouter une difficulté supplémentaire. Vous serez toujours à temps de remplacer les divers éléments quand le projet évoluera.

C'est parti pour une dizaine d'heures de polymérisation pour créer les premiers objets. Le plus simple est de commencer par refaire les cylindres emboîtés comme au tout début. Cela donnera une maîtrise parfaite de l'outil en optimisant les temps de polymérisation, en testant la mécanique, les vibrations, les temps de remplissage.
Ces éprouvettes seront ensuite sciées pour faire les tests mécaniques. L'avantage de cette approche est qu'elle ne demande aucun outil et un logiciel minimaliste pour commencer. Si vous ne voulez pas manipuler les sinus pour vos premiers essais de déplacements circulaires, vous pouvez faire des carrés, c'est équivalent et encore plus simple.

Une fois cela maîtrisé, il faudra travailler sur le logiciel pour commencer à réaliser des formes plus complexes, comme une balle de ping-pong (avec un trou en haut et en bas). Cette superbe œuvre d'art est la première pièce de votre futur musée, montez-la sur un magnifique socle dans une vitrine blindée. Ce n'est pas si simple qu'il paraît et il vous faudra de nombreux essais avant de l'obtenir.

Si vous n'êtes pas familier des microcontrôleurs, vous pouvez utiliser un vieux PC hors d'âge, un 386 monochrome CGA, avec port série et parallèle, sans disque dur suffit.
Il existe de nombreux schémas dans la littérature et sur le Web, de kits pour interfacer des pas à pas dans les catalogues Sélectronic, Conrad... Voir les liens électroniques. Le vieux PC peut piloter les 3 axes au travers du port parallèle.
Il est possible de commencer par tester d'abord la mécanique avant de se lancer dans la résine.

Créer quelques objets STL simples et creux (c'est plus rapide !) pour les tests avec votre logiciel favori :
Des sphères de diamètre croissant
Des cubes de taille croissante arêtes parallèles aux 3 axes
Les mêmes cubes avec arêtes obliques.
Les mêmes mais en filaire.

Commencer par tester votre mécanique XY seule, en montant une plume et un papier pour tester le logiciel de pilotage.
Tester avec le modèle STL de la grosse sphère creuse, une led simule l'activation de la boite à lumière.
Brancher seulement les commandes X et Y sur les moteurs X et Y : La table doit tracer des cercles concentriques parfaits.
Brancher maintenant X et Z, puis ensuite Y et Z sur ces mêmes moteurs en X et Y : La table doit tracer des segments parallèle inclus dans un cercle.

A ce stade il faut estimer que le logiciel est au point pour les trois axes, la mécanique X et Y aussi.
Il reste à réaliser la mécanique en Z pour piloter l'ascenseur, puis éventuellement la commande des pompes de vidange résine et de rinçage.

Celui qui s'intéresse à la modélisation 3D en résine est aussi demandeur d'usinage 3D. Les deux systèmes ne sont pas concurrents mais complémentaires, les pièces en résine pourront être d'une complexité et d'un état de surface, avec cavités cachées, impossibles à réaliser en usinage. En contrepartie l'usinage est possible sur des pièces métalliques résistantes.
Le principe est assez voisin. L'électronique et le logiciel de traitement des fichiers STl sont sensiblement identiques. La réalisation mécanique du tour est assez simple celle de la fraiseuse est plus complexe. Le problème est que les outils forcent sur la pièce à usiner, provocant des jeux et déformations. Les outils sont lourds et les chariots motorisés sur rails sont des pièces délicates.
Pour la fraiseuse un premier modèle rustique peut être réalisé assez simplement.
Si vous vous contentez d'un modèle 2D, qui fut longtemps un outillage de rêve pour graver les circuits imprimés HF, c'est facile car la pièce est petite et très légère, la fraise est fixe, ce n'est qu'une table traçante renforcée.
Pour une vraie fraiseuse 3D, la mécanique est plus lourde. La pièce est fixée sur un étau déplacé par les rails X et Y horizontaux.
La tète de fraiseuse est déplacée sur un rail Z, ou bien l'ensemble XY est sur plateau ascenseur.
Cette disposition est rapidement insuffisante. Il faut ajouter un barillet pour changer les fraises de divers types. Il faut rajouter une commande pour orienter l'axe de fraisage.
Si vous n'avez pas peur de vous lancer dans la mécanique, c'est une expérience à tenter…

Le scanner 3D est assez simple à réaliser car le déplacement est très lent sans contraintes mécaniques.
Un spot laser balaie la surface à analyser en faisant tourner la pièce à analyser sous divers angles pour reconstituer le relief.
Une caméra décalée de quelques centimètres du faisceau (ou mieux quatre caméras aux points cardinaux) regarde (ou regardent) le spot.
Un algorithme simple détermine le centre de gravité du spot et par calcul élémentaire de trigonométrie, la distance.
Le bloc laser caméra se déplace sur un rail vertical et parallèle à l'axe de rotation de l'objet cible.
A chaque instant le système connaît par des systèmes de recopie:
La hauteur du bloc de visée.
L'angle de rotation de la cible
La distance du point visé dans le plan des axes.
Ces trois cordonnées permettent soit de piloter directement une fraiseuse de recopie ou mieux mémoriser le nuage de points 3D qui sera directement mis au format des outils classiques de CAO. Après traitement, ce fichier peut être plaqué de textures pour des applications graphiques ou piloter fraiseuses, stéréolithographie 3D.
Si l'analyse demande aussi de connaître la nature de la peau de l'objet analysé, le point visé sera alternativement illuminé par le spot puis visé par une petite caméra supplémentaire éclairée par un flash.
Ce fichier sera stocké en parallèle avec les positions et sera ensuite récupéré par le logiciel de texture.

Un chariot vertical est parallèle à l'axe de rotation de l'objet (tour de potier). La mécanique est récupérée sur une imprimante.
Un moteur pas à pas fait tourner le plateau avec une résolution angulaire très fine.
Un cran est passé pour chaque balayage du chariot vertical.
Sur le chariot un viseur axial (simple tube) éclaire un photo transistor.
Un laser éclaire un miroir décalé tournant en permanence, commandé par un pas à pas récupéré dur un disque dur.
Le spot est vu par le phototransistor pour une position angulaire.

Un point est alors identifié et mémorisé par trois mots de 16 bits, en Z, Rayon et angle.
Le chariot se déplace d'un cran pour passer au point suivant...

La méthode est rustique et lente, mais en une dizaine d'heures un petit objet est numérisé en 3D avec une résolution meilleure que le millimètre sur les points de la surface.
Pour éviter les artefacts sur les objets métalliques réfléchissants ou noirs absorbants, l'objet sera peint à la bombe en blanc mat.
La mesure se fait évidement dans le noir.
Les moteurs sont pilotés par une petite carte à microcontrôleur en liaison autrefois série, maintenant USB vers un PC.

En complément des outils 3D assez complexes mécaniquement que sont les fraiseuses et cuves de stéréolithographie 3D n'oublions pas un matériel plus simple et très commun.
De très nombreux objets sont stratifiés sur un corps provisoire ou définitif en mousse. Cette mousse peur ensuite être éliminée par grattage ou dissolution avec ses solvants projetés sous pression par des orifices prévus. Pour une planche à voile artisanale, le "shapeur " poncera un bloc à la main, la précision n'est pas très importante.
Pour des pièces techniques, les gabarits et le coup d'œil ne sont pas suffisants, les précisions demandées sont très contraignantes.
Les réalisations vont du plus simple, comme les planches à voile ou flotteurs en résine et fibre de verre jusqu'à des objets high-tech, avec inclusion de ferrures titane, mâts carbone, pales d'hélicoptères, spoilers, coques diverses.
Il faut pour cela s'appuyer sur une forme perdue à la géométrie parfaite.
Les très grandes formes atteignent des dizaines de mètres (mats, ailes), elles sont constituées de petits blocs collés car le fil est trop flexible pour réaliser des coupes de plusieurs mètres
Cela s'obtient pour les surfaces développables par découpe au fil chaud. Les rares formes non développables seront reprises à la main ou en fraisage 3D.
Les logiciels déjà évoqués pilotent ces découpes. Ces mousses se coupent très facilement au fil chaud. En principe le fil tendu sera fixe, le bloc se déplaçant sur une table pilotée. Il est plus rare de travailler en déplaçant le fil.

Vous trouverez les réponses aux questions que vous vous posez sur l'évolution du projet et le moyen d'obtenir schémas, kits, produits finis, assistance, garde d'enfants à domicile, ratons laveurs, extrême-onction, contrat d'élimination d'ennemis, fourniture de call girls et plus ici :

Du schéma au produit fini ?

Merci aux journalistes qui pillent sans vergogne mon site,
d’avoir au moins la courtoisie de citer leurs sources…

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Dernière retouche le 18 Juillet 2007 à 10 h

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