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Assembler sa RepRap

Il existe de nombreux modèles de RepRaps et chacun a sa propre documentation. Très souvent en anglais, elles sont toutefois riches en illustrations. Il est en général possible de suivre ces guides pour arriver à un assemblage fini, mais de nombreux points restent souvent obscurs pour le néophyte et ne sont pas forcément détaillés dans ces guides, trop généraux, qui présupposent une certaine familiarité de la part de l'assembleur.

Ce livre va vous présenter les différentes étapes d'assemblage d'une RepRap, sans rentrer dans les éléments spécifiques à certains modèles, mais en les mentionnant toutefois. Il se concentrera plus souvent sur tous les petits détails sur lesquels vous risquez d'avoir à vous attarder par manque d'informations et vous donnera des astuces pour résoudre certaines difficultés.

Structure

La forme la plus courante de RepRap (dérivée de la Mendel originale, Prusa I2 et I3 par exemple) a un châssis en forme T, ou de triangle. Le plateau chauffant se déplace en Y, la buse se déplace en X et l'axe Z déplace l'axe X de haut en bas dans son ensemble. La structure T ou triangle a pour principal objectif de solidariser l'axe Y à l'axe Z à 90° l'un de l'autre.

La seconde forme la plus courante est la Delta (par exemple la RepRap Rostock1 ), en triangle avec trois bras, chacun se déplace de haut en bas le long de trois colonnes. Cette machine possède un lit fixe.

Les autres formes (H-Bot, Scara et autres encore plus exotiques) sont trop nombreuses pour être toutes citées et ont chacune leurs avantages et leurs inconvénients.

Toutefois, l'immense majorité de ces formes sont construites sur la base de l'un ou l'autre de ces deux éléments : des tiges filetées ou des profilés d'aluminium.

Tiges filetées

Les tiges filetées sont des barres d'acier, entourées d'un filetage qui permet de les fixer à l'aide d'écrous. Leur principal avantage est leur coût. Elles sont extrêmement économiques. Cela explique leur grande popularité dans la famille RepRap depuis son origine. Elles ont un inconvénient toutefois, elles peuvent manquer de rigidité pour certains diamètres utilisés.

Lors de l'assemblage d'une imprimante 3D ayant une structure en tiges filetées, il faudra s'assurer que les tiges sont découpées exactement à la longueur indiquée. Cela simplifie énormément l'assemblage et rend la machine plus juste mécaniquement.

De nombreux écrous sont placés le long des tiges, pour y fixer des pièces imprimées ou d'autres éléments. Ces écrous et éléments doivent être positionnés avec précision ou la machine sera mal alignée. Un pied à coulisse, à défaut une règle, vous sera très utile ici. Les documentations contiennent des mesures très précises à suivre.

Au bout de chaque tige, on doit placer un "écrou à frein". Il s'agit d'un écrou avec une petite pièce de caoutchouc qui est serré assez fort et ne risque pas de s'en aller. Un écrou normal en bout de tige risquerait de se détacher. Pour les autres écrous, une bonne pratique est d'appliquer, une fois toute la machine finie et calibrée, une goutte de colle forte (de type cyanoacrylate ou de type "super glue") ou encore du vernis à ongles sur chaque écrou. La colle les gardera en place, mais est toutefois délogeable (certes avec un peu d'effort) si l'on souhaite démonter l'imprimante.

Profilés d'aluminium

Pour pallier les limitations structurelles des tiges filetées, des modèles plus récents se sont développés qui utilisent des profilés d'aluminium. Le premier et le plus populaire a été la RepRap Mendelmax2 . Plus chers, ils sont également plus pratiques à assembler.

Les profilés d'aluminium sont extrudés avec une forme spécifique, avec des canaux qui permettent d'accueillir des écrous. Cela rend la fixation particulièrement aisée et rigide. De même que pour les tiges filetées, les barres doivent être découpées exactement à la bonne longueur et les éléments assemblés les uns aux autres aux bonnes distances. L'ordre d'assemblage est en général très important pour les structures en profilé d'aluminium et est indiqué dans la documentation.

Axes à base de courroies

Une fois la structure assemblée, il est temps de commencer à mettre en place les moteurs et les poulies de votre machine. Il existe de nombreuses méthodes pour transformer un mouvement rotatif du moteur en mouvement linéaire de l'axe de déplacement. Les poulies et courroies sont un moyen relativement simple et économique pour générer des déplacements rapides. Cette rapidité est un paramètre important à prendre en compte dans le cas d'une imprimante 3D.

Les moteurs sont tout d'abord attachés à une pièce imprimée à un bout de l'axe, un roulement à billes de l'autre. La poulie se place sur l'axe (arbre) du moteur et est fixée avec une petite vis. La courroie est ensuite passée autour de la poulie, du roulement a billes, et accrochée à l'élément mobile.

Cet élément mobile peut être, selon les modèles, la partie qui supporte le lit chauffant, celle à laquelle l'extrudeur est attaché, ou une pièce intermédiaire comme celle à laquelle les bras sont attachés dans le cas d'une RepRap Rostock par exemple.

Les courroies doivent être bien tendues, mais pas trop. Elles doivent produire un bruit grave lorsqu'elles sont "pincées" mais ne pas avoir de jeu. Un tendeur peut être utilisé sur la courroie, par exemple la pièce métallique d'une pince à linge, retournée et placée le long de la courroie.

Axes à base de vis sans fin

Un boulon, vissé sur une tige filetée et contraint dans l'axe de rotation, va se déplacer de façon linéaire lorsque la vis est tournée. On utilise cette technique lorsque l'on a besoin de beaucoup de force, par exemple sur l'axe Z d'une RepRap Prusa, où l'axe Z soulève l'axe X, relativement lourd. Cette méthode a l'inconvénient d'être plus lente, c'est pourquoi elle n'est utilisée que dans ce cas.

L'axe Z d'une foldarap en cours de montage

L'attache de la tige filetée à l'axe du moteur se fait en général par une pièce en métal ou imprimée, avec une fixation par vis. Une autre possibilité est d'utiliser un morceau de tube, plus fin que les deux éléments, mais il est alors relativement ardu de les accrocher.

Il est recommandé de lubrifier l'écrou. Cela peut se faire une fois toute la machine assemblée, dans un souci de propreté.

Guidages linéaires

Lors d'un déplacement linéaire, on souhaite que l'objet en mouvement ne se déplace que dans un seul axe. Par exemple, un axe X ne doit pas se déplacer en Y et en Z, ou il fausserait le mouvement de ces autres axes. On utilise pour ce faire un guide (une tige de métal ou un rail) et un roulement linéaire. Ce roulement doit également avoir aussi peu de friction que possible, afin d'être aussi efficace et aussi silencieux que possible. On utilise pour cela soit des roulements à billes, soit des roulements en plastique (teflon).

Ces roulements doivent ensuite être attachés à l'élément en mouvement, soit en utilisant une pièce imprimée et des vis ou tout simplement des colliers de serrage pour les serrer à une encoche sur une plaque. Dans le cas des colliers de serrage, elles doivent être aussi serrées que possible. Les roulements doivent être lubrifiés régulièrement.

Plateau chauffant

Les pièces s'impriment sur une plaque, typiquement en verre (pour sa très grande planéité), ou parfois en métal ou en acrylique. La plaque est souvent chauffée (bien que ce ne soit pas forcément nécessaire mais bien pratique pour le PLA,  cela reste indispensable pour l'ABS).

Une plaque chauffante, dans laquelle un courant circule, est placée sous la plaque de verre, lui fournissant la chaleur. Il y a deux types principaux de plaques chauffantes : soit celles faites à base de plaque PCB, soit à partir de film de kapton (scotch haute température). Les deux sont simplement un "chemin" de cuivre, isolé sur ses deux faces.

une résistance de lit chauffant

Le courant est fourni par l’électronique. Une thermistance est également attachée au plateau pour capter sa température et est connectée elle aussi à l’électronique. La température est lue, si elle est inférieure à la température désirée, l'élément chauffant s'allume pour atteindre la bonne température.

Extrudeur

On entend deux choses par "extrudeur", soit uniquement la roue dentée motorisée qui entraîne le filament vers la buse. Soit l'ensemble composé de cette roue dentée motorisée et de la buse chauffante qui fond le filament.

Il existe différents types d’extrudeurs. Les principales familles sont caractérisées par le type de moto-réduction utilisé :

  • en pièces imprimées (Gregs, Wades) ;
  • en métal (moteur pas-à-pas à réduction intégrée) ;
  • en plastique (encore intégrée, non-recommandée car se dégradant rapidement...) ;
  • aucune réduction ("Direct-drive", ne fonctionne que lorsque peu de force est nécessaire) ;

Les modèles et leurs dérivés sont légion et pour chaque machine, de nombreux modèles sont compatibles. Il y a une seule incompatibilité majeure, les extrudeurs coulissants sur l'axe X ont une attache soit horizontale, soit verticale et les deux ne sont pas interchangeables.

http://reprap.org/wiki/File:VertX_assembling_belt3.jpg

Attache verticale du chariot de l'extrudeur.

http://bit.ly/1cqmmBn  

Attache horizontale du chariot de l'extrudeur.

En fonction des pièces que vous vous êtes procurées, le montage de l'extrudeur sera plus ou moins compliqué.

Pour le modèle Wade3  par exemple, il vous sera peut-être nécessaire d'usiner le galet (qui entraîne le filament) dans une vis. Cette opération se réalise en utilisant un tarot avec une perceuse.

L'extrudeur en lui-même est souvent relativement simple à monter.

Par contre il faut prendre un soin particulier pour le relier à la buse.

Buse

La buse est l'élément chauffant qui permet de fondre le plastique pour imprimer.

 

Comme elle atteint des températures élevées (180 à 200° environ), il faut tout mettre en œuvre pour empêcher cette chaleur de remonter vers l'extrudeur, car si le filament se ramollit à ce niveau, le galet risque de patiner et l'extrusion de bloquer. Cette barrière thermique doit en plus être assez résistante mécaniquement car l'extrusion met en jeu des forces très importante : pour extruder du PLA, le galet pousse dans la buse avec une force équivalent à 10Kg.

Il y a deux parties principales à la buse :

  • En bas, souvent en laiton ou en bronze, l'élément métallique chauffé dans lequel le plastique est fondu.
  • Au-dessus, la barrière thermique : un tube, soit en plastique haute température (PEEK, noir dans l'image) soit en métal (avec un radiateur), qui sépare la partie chauffante du reste de la machine, et sert à évacuer la chaleur qui pourrait remonter dans le filament et empêcher le tout de fonctionner.

La buse chauffante est l'outil primordial de votre imprimante 3D, le filament de plastique y est poussé, et du plastique fondu en ressort pour être ensuite déposé sur la surface d'impression. L'analogie du pistolet à colle est souvent utilisée. Toutefois, cette pièce n'est pas aussi simple que l'on pourrait le croire. Génération après génération, les modèles actuels ont évolué vers des dimensions et une structure très précises qui assurent une température régulière, un débit constant et évitent les accidents tels que les buses bouchées.

Comme pour le lit, deux éléments importants, un élément chauffant (souvent une résistance ou une cartouche chauffante) et un élément de lecture de température (couramment une thermistance). L’électronique utilise ensuite les deux pour lire et maintenir la buse à la température désirée.

La résistance chauffante est souvent attachée à la buse, soit par une vis de fixation, soit par du ciment thermique. La thermistance est soit passée dans un trou, soit fixée a l'aide de scotch de kapton*.

Lorsque l'on imprime de l'ABS, il est recommandé d'ajouter un ventilateur pour refroidir la partie haute de la buse (le tube de PEEK ou de métal). À noter également que cette partie contient souvent, afin de faciliter le glissement du filament, un tube intérieur de PTFE (Teflon). Ce tube commence à se déformer à 245°C environ. Une fois déformé, il doit être remplacé et les gaz dégagés sont très nocifs. Attention donc à la température de votre buse et à bien refroidir ce tube.

Électronique

La carte électronique est le cerveau de votre RepRap. Elle reçoit des instructions (G-code) de votre ordinateur, le firmware (micrologiciel) présent sur le micro-controlleur les interprète, puis utilise des drivers de moteurs pas-à-pas pour déplacer les éléments de la machine, ainsi que des transistors de puissance (Mosfets) et des éléments de lecture de température (thermistance) pour contrôler la température des différents éléments (le lit, la buse).

Voici quelques modèle mais toute électronique peut contrôler tous les types de RepRaps.

Famille des micro-controlleurs 8-bits, basés sur Arduino :

  • RAMPS, composé d'un Arduino Mega et d'un "Shield" pour celui-ci. C'est la plus utilisée.
  • Sanguinololu. Souvent à souder soi-même en entier, c'est l'option la moins chère.
  • Melzi, Printrboard, Rumba/Rambo sont toutes des dérivées des deux ci-dessus.

Famille des microcontrôlleurs 32-bits, plus puissants et faciles à utiliser mais encore peu adoptés :

  • 4PI, très compacte, avec un design très performant.
  • Smoothieboard, moins cher, se concentrant sur les fonctionnalités et la facilité d'utilisation.

Si vous ne savez pas quoi choisir, n'hésitez pas à contacter la communauté pour savoir quel modèle vous correspondra le mieux.

Câblage

L'ensemble des composants électroniques de la RepRap va devoir être relié à la carte électronique de commande.

Pour les moteurs pas-à-pas, qui utilisent généralement quatre fils et qui peuvent générer d'éventuelles perturbations électromagnétiques, il est conseillé de torsader ou de tresser les fils et les glisser dans des gaines pour éviter de les arracher lors de la manipulation de la machine.

En isolant ainsi les câbles, vous éviterez aussi d'entraver les parties mobiles. Prenez garde de toujours laisser un peu de marge sur les zones critiques où se produisent les déplacements d'axes pour ces mêmes raisons.

Les moteurs pas-à-pas doivent tous respecter l'ordre de câblage indiqué dans la documentation de l'électronique. Si vous constatez que les codes couleur des câbles sont différents de ceux documentés, il existe des astuces simples pour déterminer quels câbles appartiennent à la même bobine. Si vous avez un multimètre, faites un test de continuité : mesurez la résistance entre les deux câbles : si vous obtenez une valeur c'est qu'il s'agit de la même bobine. Plus simplement, si vous connectez deux câbles et que vous ressentez une résistance mécanique quand vous tournez le moteur à la main, cela signifie que ces câbles appartiennent à la même bobine. 

Les fabricants de cartes électroniques de contrôle utilisent des contacteurs de type standard Molex pour brancher les moteurs, la buse et le plateau chauffant.

Du fait de la plus grande intensité passant dans les câbles des résistances chauffantes utilisées pour la buse et le plateau, il est aussi conseillé d'utiliser une section plus grosse pour éviter leur surchauffe. Une section de 0.75mm² rencontrée sur les alimentations de PC est généralement suffisante.

Alimentation

Pour offrir l'énergie suffisante à l'électronique de la RepRap, vous pouvez choisir d'utiliser le type d'alimentation préconisée pour le modèle en question ou, si cela s'avère plus économique, utiliser une alimentation ATX de PC générique. Prenez garde à toujours utiliser des alimentations stabilisées et à choisir une puissance suffisante.

Dernières vérifications avant d'allumer

A ce stade votre machine est physiquement complète.

Avant de lui enseigner les rudiments de la vie et avant toute mise sous tension, il est bon d'effectuer un contrôle global de l'ensemble des composants.

Il vous sera nécessaire de contrôler :

  • L'aspect général du châssis et de la partie mécanique : la structure n'a pas de jeu apparent, évidemment, aucune vis ou écrou ne tombe quand on l'agite un peu.
  • Les moteurs, courroies et transmissions : elles sont bien en place et correctement tendues. Les éléments mobiles glissent normalement sur leur trajectoire quand on les déplace à la main.   
  • Les câblages : ils sont corrects. Aucune fiche de connexion ni aucun fil ne flottent sans être connectés. Il est possible de contrôler avec un multimètre la conductivité des différentes bornes sensées êtres à la masse. Notez qu'il est très facile de se tromper sur un câblage et qu'une erreur peut provoquer la destruction de certains éléments du circuit. L'idéal est de faire contrôler le câblage par une autre personne que celle qui a fait le montage.

Une fois ces vérifications effectuées, touchez du bois, croisez les doigts, respirez un grand coup, puis :

  • branchez le câble USB à votre ordinateur ;
  • mettez la machine sous tension ;

Vérifiez alors qu'aucun bruit violent ne se fait entendre.

  • les ventilateurs sensés être actifs le sont-ils ?
  • la carte électronique n'émet pas de signaux inquiétants avec ses LEDs* (se référer pour ça à la documentation de la carte de contrôle dont vous disposez)

Alors il semblerait que votre machine réagit bien.

Il est temps de passer à la configuration de l'électronique pour la rendre complètement opérationnelle.

  1. http://reprap.org/wiki/Rostock^
  2. http://reprap.org/wiki/Mendelmax^
  3. http://reprap.org/wiki/Wade%27s_Geared_Extruder^

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