Projets:Perso:2014:Wax3DPrinter

Projet WAX 3D Printer

Le but final de ce projet et de pouvoir réaliser des pièces métalliques complexes « directement » depuis un fichier CAO en réduisant au minimum les étapes d’usinage. L’imprimante créera des modèles en cire qui seront ensuite utilisés avec les méthodes de fonderie traditionnelle dit « à la cire perdue ».

J’ai essayé de faire un petit schéma pour présenter les principales étapes de la réalisation des pièces métalliques à partir d’un modèle en cire :

Organisation du projet :

Ma spécialité étant la récupération et le détournement d’objets, je souhaiterais que ce projet soit en très grande partie fait avec de la récupération, de ce fait l’avancement, les spécifications et les choix techniques s’affineront au fur et à mesure des trouvailles et des conclusions sur les différents essais réalisés. Je suis donc incapable aujourd’hui, de vous dire quel sera le volume d’impression, les dimensions de la machine ou la vitesse d'impression. Mais je ferais en sorte de faire "au mieux" avec ce qui se présente :D

Malgré tout la réalisation du projet se fera en trois grandes étapes :

- Première étape : Réalisation du système d’extrusion de cire, acquérir une maitrise suffisante ainsi qu’un prototype fonctionnel et fiable. En même temps récupérer tout ce qui pourra servir à la réalisation de l’imprimante.

- Deuxième étape : Réalisation de la partie mécanique de l’imprimante en s’adaptant aux matériels récupérés et aux contraintes que nous imposera l’extrudeur.

- Troisième étape : Une fois la partie mécanique fixée de manière définitive, Réalisation de toute la partie commande et pilotage.

Vous pouvez donc participer à ce projet en remplissant notre benne à DEEE avec :

- Des machines médicales ou de laboratoire,

- Des grosses photocopieuses,

- Des machines bizarres,

- Des machines de proces industriel

- Des machines à cafés / distributeurs automatiques

- Des pièces en aluminium, ou en laiton (pour la fabrication des pièces de fonderie)

- Des vieux câbles en vrac, des bouts de tuyaux en cuivre, des batteries HS, des vieux PCB (pour troquer avec les ferrailleurs)

- Bref tout ce qui peut contenir des moteurs, glissières, courroies, électrovannes, tuyaux, raccords, résistances chauffantes, machins bizarres ……

la réalisation de l’extrudeur de cire :

Contrairement aux plastiques utilisés dans les imprimantes 3D la cire semble trop fragile pour être conditionnés en bobines de fil et utilisée dans un extrudeur plastique traditionnel. Pour l’instant l’idée trouvée est d’envoyer de la cire liquide sous pression à la tête de l’imprimante ou elle sera refroidie pour obtenir la bonne consistance juste avant de passer dans la buse d’extrusion.

Voici un petit schéma simpliste du principe de fonctionnement de l'extrudeur continu:

Contraintes liés à la cire :

La principale contrainte est de maintenir la cire en fusion partout où elle passe ! Elle ne doit surtout pas « geler » dans les tubes, ou les organes de commandes.

J’ai pensé a deux solutions pour palier à ce problème :

- Tout le circuit de cire est dans un bain régulé d’eau ou d’huile, il y aura un tube flexible coaxial qui emmènera la cire à la a tête d’extrusion. l’eau offre des très bons coefficients d’échange ce qui permettra une mise en température rapide de l’installation. Mais ce système est techniquement compliqué à mettre en œuvre et nécessite d’être vigilent à cause des fuites.

- Tout le circuit est dans un caisson chauffé, des gaines d’air chaud entourent les flexibles de cire. La technique du chauffage à l’air est relativement simple à mettre en œuvre, pas de problèmes de fuites. Par contre les coefficients d’échanges étant très mauvais, il faudra beaucoup de temps à l’extrudeur pour « démarrer » on sera peut être contraint de devoir laisser le chauffage en permanence pour éviter que la cire ne se fige à certains endroits

Autre contraintes : les risques d’incendie et les odeurs.

Tout le monde le sait, la cire sert à faire des bougies, et à entretenir la flamme. C’est donc un produit très inflammable peut être même explosif surtout quand elle il est en fusion. Je ne connais pas trop le risque et le comportement de cette matière au feu, mais je pense que tHe_MaN qui travaille actuellement sur les moteurs de fusées à la paraffine pourra m’orienter sur les risques de mes manipulations.

Pour les odeurs il faudrait pouvoir fermer hermétiquement la trémie d’approvisionnement, et avoir une extraction d’air vers l’extérieur.

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Mardi 15 avril 2014 – 1ers essais du prototype

je n'ai pas de temps pour expliquer tout maintenant, je met quelques photos vite fait

L'installation:

et un petit gif de l'extrusion

Jeudi 10 avril 2014 – fabrication d’un support pour le prototype

Bilan de la soirée :

Beaucoup de conférences intéressantes ce soir-là. J’ai passé moins de temps à bricoler.

- Nettoyage à grande eau du bain régulé pour enlever le reste d’huile et mettre de l’eau claire à la place.

- Installation des résistances chauffantes autour du réservoir pressurisé.

- Ajout d’un tube plongeant obturé dans le réservoir pour pouvoir placer les sondes de température dans le bain de cire

- Fabrication d’un support en bois /alu pour maintenir le réservoir.

- Fixation des rails DIN pour recevoir toute l’élec de commande et de puissance, ainsi que les alimentation.

coté élec du support: y'a déja pleins de composants sur le rail, le but c'etait de libérer de la place dans les tiroirs.

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Mardi 8 avril 2014 - préparation du matériel pour le premier essai

- Rapatriement et réparation du bain régulé:

Le bain a dû passer plusieurs mois dehors sous la pluie, il est partiellement démonté et les câbles reliant le potentiomètre de consigne interne ont disparu. Après avoir passé beaucoup de temps pour trouver les schémas sur internet, j’ai finalement câblé le potentiomètre interne sur la commande de consigne externe. Maintenant il régule bien tant au chaud que en froid.

Le bain régulé fonctionne! les températures sont cohérentes avec la centrale d'acquisition.

- Brasage de l’échangeur :

L’opération à été laborieuses, les baguettes de brasures utilisés avait un point de fusion très haut, j’ai fondu le raccord en laiton. J’ai du le souder à l’étain pour ne plus avoir de problèmes.

l'échangeur brasé

- Installation d’un module Peltier pour chauffer l'électrovanne;

J’ai mis un vieux Peltier des années 70’ sur le corps de l’électrovanne pour la réchauffer, il est un peu relou car il s’alimente en 3V 4A mais c’est le seul qui faisait la bonne taille !

le module peltier est pris en sandwich entre le dissipateur et l'électrovanne.

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Jeudi 3 avril 2014 – fabrication du 1er prototype d’extrudeur à stockage pressurisé de cire liquide

Maintenant que j’ai réussi à amasser suffisamment de bordel je vais pouvoir attaquer la réalisation rapide d’un prototype :

Le générateur de vapeur de la machine à café servira de réservoir pressurisé de cire liquide et j’ai suffisamment de vannes à main et de raccords inox pour faire le montage expérimental.

Pour l’instant je vais me « précipiter » sur la partie extrusion, c’est-à-dire l’échangeur – refroidisseur – solidificateur qui permet de de faire passer la cire de l’état liquide à l’état pâteux avant qu’elle arrive à la buse d’extrusion. La partie remplissage du réservoir pressurisé sera conçue ultérieurement. Pour l’instant je me contenterais de faire rentrer la cire à l’intérieur en faisant le vide dans le réservoir.

Le problème de l’électrovanne d’alimentation de l’injecteur :

La cire c’est cool, mais le gros problème c’est qu’elle se fige si on ne la chauffe pas, ce qui me posait beaucoup de difficultés pour trouver une électrovanne qui n’a pas le noyau (la masselotte mobile située au milieu de la bobine) en contact avec la cire, car c’est assez compliqué pour réchauffer zone. Les électrovannes à noyaux en contact avec le fluide sont très courantes : celles de la machine à café utilisent cette technologie.

Et justement j’ai trouvé une électrovanne spéciale dont je ne connaissais pas la technologie et qui correspond à mon application. Elle supporte jusqu’à 12bar de pression et à elle a un bouton pour l’actionner manuellement ! Seul hic, elle est en 230V. Je ne sais pas comment s’appelle cette technologie mais je vais expliquer son fonctionnement :

La bobine fait bouger un doigt en silicone qui vient obturer une ou l’autre entrée de l’électrovanne. La cire reste donc confinée dans le corps de l’électrovanne et ne remonte pas dans la bobine ce qui lui permettra de fonctionner même si la cire n’est pas totalement liquide.

On voit bien sur la photo que le doigt en sillonne peut obturer l’arrivée de droite ou de gauche :

Je pensais au début qu’avoir une électrovanne 3 voie n’était pas adapté pour alimenter la buse d’extrusion, mais finalement je vais me servir de la troisième voie pour faire une « mise à l’air » de la conduite qui va de l’électrovanne à la buse, cela permettra d’interrompre plus rapidement l’écoulement de la cire à travers la buse. L’excédent de cire sera renvoyé à la trémie d’approvisionnement

Fabrication de la tête d’extrusion avec l’échangeur – refroidisseur – solidificateur

J’ai essayé de faire en sorte que la buse d’extrusion soit la plus proche possible de la sortie de l’échangeur afin d’éviter que la cire se refroidisse entre les deux et bouche la buse lors des périodes de stand-by.

L’échangeur est bricolé avec les trois bouts de cuivre qui trainait au LAB et le support de la tête d’extrusion est fait avec les raccords en laiton destinée à la fonderie. J’ai récupéré toute une série de buses qui doivent aller de 0,2 à 1,5mm.

Aucun calcul n’a été fait pour dimensionner l’échangeur, mais il devrait largement suffire pour les petites buses. L’échangeur est de type coaxial, la cire circule dans le tube intérieur et de l’eau à température régulée passe autour dans le tube extérieur. Il est presque fini, on a eu une panne d’oxygène du coup je ferais les brasures mardi prochain.

Le schéma de l’échangeur :

L'échangeur avant brasure:

La buse d'extrusion: (ici la plus grosse)

réalisation du prototype :

Voici le schéma de principe du prototype :

Le prototype c’est monté relativement facilement, j’ai eu quelques problèmes avec des fuites récalcitrantes, mais avec du téflon ça marche mieux !

On peut voir le régulateur de pression, les différentes vannes et le manomètre en haut, et l’échangeur –refroidisseur ainsi que la vanne 3 voies en bas:

Il reste encore pas mal de chose à faire:

- braser l'échangeur

- trouver un alternostat ou un gradateur pour alimenter la résistance du réservoir

- trouver / réparer un bain régulé en température pour le circuit de l’échangeur – refroidisseur

- installer des thermocouples aux endroits stratégiques

- câbler les électrovannes et résistances dans les règles de l’art car tout est 230V

- Mettre un module peltier sur le corps de l'électrovanne avec une régulation de température.

- trouver de la cire en grande quantité.

C’est à peu près tout pour le moment, avec un peu de chance je pourrais extruder les premiers filaments jeudi prochain !

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Les premiers essais :

Des premiers essais d’extrusion ont été réalisés en modifiant un vérin pneumatique en presse : de la cire liquide était aspirée à l’intérieur, puis une fois tiède on comprime le vérin pour la faire passer à travers une buse de 1mm. Nous avons fait deux essais :

- Avec de la cire de bougie : fil de bonne qualité mais aucune cohésion entre les fils.

- Avec de la cire de modeleur : fil très régulier avec une très bonne cohésion entre les fils. On a même réussi à imprimer des petits cônes à la main !

Schéma du vérin modifié:

Le vérin modifié; la manivelle et la poignée sont les premiéres piéces de fonderie à servir pour un projet:

le cône imprimé à la main:

Ces tests rudimentaires nous confirment que la cire de modeleur se prête très bien pour notre usage d’impression 3D, c’est assez bluffant la capacité qu’on les fils à se coller lorsqu’ils sortent de l’extrudeur cela permettra de faire des pièces solides et rapide à imprimer.

A la fin de l’essai j’ai plongé le vérin démonté dans l’eau chaude pour le nettoyer, et la cire restée dans l’extrudeur est sortie toute seule créant un filament sous l’eau. C’est intéressant car ça veut dire que la cire est passée au travers de la buse juste avec la poussée d’Archimède. Il faut donc une pression très faible pour faire des filaments.