Imprimante 3D cire d'abeille
Problématique : Dans l'objectif de réparer le monde, comment donner une seconde vie au matériau qu'est la cire d'abeille tout en visant un objectif de développement technologique ?
Objectif du projet : concevoir une imprimante 3D utilisant la cire d'abeille comme matériau, sur la base d'une imprimante 3D Quantum Delta (plans sur Thingiverse). La particularité de la cire d'abeille fait qu'on ne peut pas vraiment l'utiliser sous forme de fil comme dans une imprimante FFF (Fused Filament Fabrication), les propriétés mécaniques de la cire variant fortement en fonction de la température, molle et collante quand il fait chaud, dure et cassante quand il fait froid. La proposition est d'utiliser la cire stockée sous forme liquide dans un réservoir, poussée jusqu'à la buse d'impression par une seringue commandée par un moteur pas-à-pas. La méthode suppose de remplir le réservoir avec une quantité de cire supérieure ou égale à celle nécessaire à la fabrication de l'objet, les logiciels de slicing étant capables de calculer le volume de la pièce à imprimer à partir de son modèle 3D numérique.
Sommaire
État de l'art
Imprimante Quantum Delta
Basée sur une architecture Robot Delta, l'imprimante Quantum Delta est une imprimante à plateau mobile monté sur trois vérins et buse fixe.
Logiciel
Plusieurs logiciels sont possibles pour ce qui est de la gestion de l'application liée à cette imprimante, tels que Marlin Firmware qui offre notamment une extension VS Code.
Électronique embarquée
La carte mère choisie pour cette imprimante est une RAMPS 1.4
Structure
La structure de la machine sera composée en grande partie de profilés extrudés en aluminium reliés entre eux.
À cela, il faut ajouter une base non-adhérente ainsi qu'une buse adéquate à la viscosité de la cire fondue.
Géométrie
Géométrie des bras
On veut un angle du bras minimal de 20° qui est un paramètre qui joue sur la précision et la stabilité du bras aux positions extrêmes. Pour cela, on doit prendre un angle de départ de 60°.
On veut que le plateau de l'imprimante soit de 18cm de diamètre minimum, donc 9cm de rayon.
Pour avoir une amplitude de mouvement complète sur le plateau, il faut que le Rayon Total (le rayon de la base de l'imprimante), soit supérieur à 2x le rayon du plateau (car il faut que les bords du plateau puissent atteindre la buse).
Dans le cas présent, le rayon du moyeu est égal au rayon du plateau.
Pour avoir une marge de sécurité, on choisit une valeur supérieure, ici un Rayon Total de 18cm conviendra, et on ajoutera une marge de sécurité 2cm. (la marge prendra aussi en compte la largeur des chariots qui se situent sur les 3 colonnes verticales de l'imprimante.)
On effectue la calcul lorsque le plateau est à l'opposé du bras, à l'aide des relations trigonométriques.
longueur bras = (rayon total + marge) / cos(20°); longueur bras = 21.3 cm -> 22cm
Géométrie du plateau
La base de l'imprimante forme alors un triangle équilatéral. Sa distance centre-sommet vaut 20cm, par conséquent la hauteur du triangle vaut 30 cm, et le côté du triangle vaut donc 30cm/sin(60°) ~ 34,6 cm
Géométrie des colonnes
L'imprimante peut prendre différente position, et dans le cas le plus extrême, les bras sont verticaux (ou presque). La hauteur des colonnes peut donc être obtenue par la relation suivante :
h = [hauteur maximale d'impression] + [longueur du bras] + [épaisseur du plateau d'impression] + [longueur des chariot]
Il faudra tout de même faire attention à comment on attache les rails, car on pourrait avoir besoin de rails plus long que prévu (ce n'est normalement pas un problème si on utilise des profilés adapté). De plus la longueur de la vis qui contrôle les chariots n'est pas forcément égale à la longueur des rails car il faut aussi la relier à sa motorisation.
Mécanique
Afin de faire bouger le plateau dans les trois axes et piloter l'extrusion de cire, nous allons avoir besoin de moteurs pas à pas de type NEMA 17.
Il sera également nécessaire d'ajouter un système de chauffe suivi d'une pompe permettant la fonte et l'acheminement de la cire.
Réalisation du réservoir de cire
Pour le réservoir nous utilisons un tub de PVC de 8cm de diamètre externe et 7,5 cm de diamètre interne. La longueur de ce réservoir n'est pas fixé elle dépend des besoins en cire et de la taille de la vis sans fin utilisée pour faire le piston. Pour chauffé la cire nous utilisons en élément chauffant que nous collons sur la surface externe du tube. Cet élément nous permet de chauffé la cire à 60°C (température de fusion de la cire). La tête de l'imprimante (la buse) chauffe également la cire en sortie d'imprimante.
Réalisation du piston
Pour réaliser le piston, nous avons utilisé une visse sans fin ainsi que des pièces que nous avons modélisées et imprimées (à l'aide de SolidWorks) :
- Pièce servant de bouchon au réservoir, le reliant à la tête d'impression
-Pièce servant à pousser la cire, première partie du piston.
-Pièce venant se viser sur la précédente, enserrant la pièce suivante de manière à diminuer les frottements lors de l'avancée du piston. Elle est constituée de deux parties identiques.
-Pièce servant de bout à la vis sans fin, liée aux deux autres, elle sert à faire coulisser le piston sans le faire tourner en même temps que la vis. Cette pièce est la plus complexe, adaptée pour une vis à quatre bras de départ. Sa modélisation sur solidworks, le modèle étant introuvable dans les modèles de base du logiciel. Le filetage a donc été crée en quatre fois, chaque fois pour un bras de la vis. Il a fallut créer sur le perçage principal de la pièce une spirale suivant le profil d'un bras de la vis, surmonté d'un cercle de la taille des rainures. Ensuite, la spirale dépassant de la pièce, il a d'abord fallut créer la matière manquante avant de pouvoir couper la spirale. On aura pour celà mesuré le pas et l'épaisseur des rainures de la vis.
L'entièreté des pièces peuvent êtres retrouvées dans le fichier en fin de page.
Cire d'abeille
La température de fusion de la cire d'abeille est comprise entre 60 et 65°C, mais elle commence à se ramollir dès 35°C et atteint sa température d'évaporation et de risque d'inflammation à partir de 180°C. Les capacités de modelage de la cire d'abeille varient énormément selon la température, et aussi selon l'espèce qui l'a produite.
La cire d'abeille est composée de plus de 300 substances différentes, dont : monoesters 35 %; hydrocarbures 14 %; diesters 14 %; acides libres 12 %; hydroxy-polyesters 8 %; hydroxy-monoesters 4 %; triesters 3 %; acides de polyesters 2 %; acides d'esters 1 %; alcools libres 1 % ; autres 6 %. Les monoesters étant principalement retrouvés dans les triglycérides, cela fait de la cire d'abeille un corps gras, ce qui se traduit par une capacité à absorber les polluants et autres résidus. Le recyclage de la cire d'abeille dépend de sa pureté.
Lorsqu'elle est collectée, elle est mêlée à de nombreuses impuretés, miel, ailes d'abeilles,... il faut donc la traiter. Ceci peut se faire de plusieurs manières, toutes basées sur le principe de faire fondre la cire pour la séparer de ces impuretés:
- l'extracteur solaire utilise la chaleur du soleil mais n'est donc utilisable que lors des heures chaudes de l'été.
- la fusion dans l'eau bouillante qui ne permet pas une extraction complète sans système de pressage mais ne permet que de traiter une petite quantité à la fois.
- les systèmes type bain-marie qui ne conviennent que pour la fonte des rayons les plus jeunes.
Elle est notamment utilisée dans la création de bougies, de tablettes, de cire à cacheter mais également dans celle de moules à cire perdue.
Expérimentations préalables et observations
Impact sociétal et environnemental
Ce projet possède plusieurs impacts environnementaux:
- Permettre aux apiculteurs amateurs de recycler la cire qu'ils produisent par eux même de manière plus simple et précise.
- Offrir un nouveau type d'impression 3D ou tout objet crée peut très facilement être réutilisé pour en créer un nouveau.
- Offrir une nouvelle alternative à l'utilisation de la cire d'abeille.
Ainsi que plusieurs impacts sociétaux:
- Une nouvelle façon de créer des moules à cire perdue de façon précise et requérant peu de ressources.
- Accélération de la création de pièces en cire.
- Une réduction des coûts de la création de pièces.
Comparaison avec solutions existantes
Imprimante 3D classique : Consommation de plastique (non recyclable, polluant à fabriquer)
Améliorations proposées: Utiliser un matériau disponible en abondance, recyclable, durable et non polluant
Besoins en matériel
- Une carte mère RAMPS 1.4
- Profilés extrudés en aluminium
- Moteurs pas à pas de type NEMA 17
- Cire d'abeille
- Système de chauffe de la cire
- Corps de chauffe
Le corps de chauffe est réalisé au moyen d'un tube en PVC chauffé par un module collé sur sa surface extérieure. L'intérieur du tube accueillera un piston, poussé par une vis sans fin. L'extrémité du tube se terminera par un capuchon ajouré permettant de fixer une buse d'extrusion, également chauffante.
Améliorations
- Passage d'une cuve PVC à une cuve en aluminium. Et donc remodélisation des pièces en fonction des dimensions.
- Création d'une chambre d'impression pour obtenir une température uniforme et réduire les risques de casse.
Biblio/webographie
Imprimante 3D:
- https://marlinfw.org/
- https://reprap.org/wiki/RepRap
- https://www.openhardware.io/
- https://openbuilds.com/
- https://www.sculpteo.com/fr/glossaire/impression-3d-cire/
- PrusaSlicer sur GitHub
- OrcaSlicer sur GitHub
Cire d'abeille:
- https://www.agrireseau.net/apiculture/Documents/Preparation%20de%20la%20cire%20d%20abeille.pdf
- https://fr.wikipedia.org/wiki/Cire_d'abeille / https://en.wikipedia.org/wiki/Beeswax
- https://fr.wikipedia.org/wiki/Ester
