Réaliser une poulie en carbone avec une imprimante 3D

--- publié le 03 mai 2017 07:16:57

Cet article présente une méthode de conception et de fabrication d'une poulie en carbone. L'imprimession est réalisée avec une imprimante 3D Ultimaker 2 mais n'importe quel modèle avec plateau chauffant peut être utilisé. L'idée est de pouvoir fabriquer à la demande des poulies de tailles adaptées. Outre le plaisir de concevoir ses propres modèles, cela permet de réduire les couts de manière importante (voir plus bas).

La technique utilisée avec ce type d'imprimante est une fabrication additive de filament. L'imprimante chauffe un filament et le dépose par couche successive. L'imprimante est commandée grâce à un fichier qui contient la description de l'objet à fabriquer.

Les matériaux utilisés vont du PLA (une sorte de plastique fait à partir d'amidon) qui permet de faire des maquettes grandeur réelle et fonctionnelle à moindre coût jusqu'au carbone, en passant par le bois, l'aluminium ou encore l'acier.

Les étapes de fabrication sont les suivantes :

- modélisation de l'objet dans un logiciel de CAO (Conception assistée par ordinateur)

- génération d'un fichier STL qui décrit l'objet pour l'imprimante

- impression

- traitement post impression : lissage, peinture éventuelle

 

A) les logiciels nécessaires

Le logiciel de conception utilisé est FreeCad. Il s'agit d'un logiciel de CAO relativement abordable et surtout open source et libre.

Le logiciel utilisé pour effectuer la préparation des fichiers STL est Cura. Ici aussi le libre est de rigueur.

B/ les matériels nécessaires

- 1 pied à coulisse

- 1 tournevis plat

- 1 spatule

- 1 tube de colle en batonnet

- 1 rouleau de fil PLA (pour réaliser les maquettes)

- 1 rouleau de fil Carbone (pour les modèles définitifs

- 1 imprimante 3D : j'utilise une ultimaker 2 extended + mais un modèle équivalent fera parfaitement l'affaire

 

C/ La conception du modèle de poulie

Nous allons concevoir une poulie de 58mm pour des cordages jusqu'à 12mm. Cette poulie aura des caractéristiques de résistance qui dépendent essentiellement du matériau utilisé. La fabrication en carbone s'impose pour son rapport poids/résistance. Un point d'attention existe concernant la fabrication par imprimante 3D car outre la résistance du matériau il faut avoir en tête qu'une impression consiste à déposer des couches superposées. La résistance dépend donc aussi de la force du lien entre ces couches. La résistance est plus faible en compression ou en étirement sur la longueur des couches.

Liste des pièces composant la poulie

Nom Quantité
Joue 2
Réa 1
Réa de roulement 1
Rouleaux 9

a) conception de la joue

Voici à quoi ressemblera la joue. Elle est composée de blocs élémentaires.

Première étape : dessiner la forme de base avec un rayon de 26mm

Seconde étape : ajouter un support.

Troisème étape : créer les accroches et les passants

L'accroche du haut sera utilisée pour passer un bout dynema qui permettra d'attacher la poulie. Ses dimensions permettent de passer un bout de 6 mm ce qui est suffisant en terme de résistance.

L'accroche gauche est utilisée pour solidariser les 2 joues entre elles. Il s'agit d'un ergot de 10mm de long sur 5 mm de haut. Il est rigoureusement placé car il doit entrer précisément dans la joue gauche.

L'accroche droite est une cavité de 10,5 mm de long sur 5,5 mm de hauteur. Le jeu est limité il faut exercer une petite pression pour solidariser les 2 joues.

Il est temps maintenant de nous intéresser à l'axe central. L'axe est positionné à 26 mm du bord de la joue de manière à permettre au bas du réa de la poulie de dépasser de 3 mm. Le rayon est de 15 mm car il doit permettre de positionner un roulement à rouleau au centre (cf plus bas). Cela laisse donc 16mm de matière de part et d'autre ce qui sécurise la résistance.

Puis on ajoute un support pour permettre la fixation du roulement et le solidariser avec la joue. Le support remonte suffisamment pour permettre de percer un trou qui sera situé au centre du réa et du roulement.

Le trou fait 3mm de rayon pour permettre de passer un axe suffisamment résistant.

La joue est désormais terminée.

b) conception du réa

Le réa de la poulie ressemblera à ceci une fois terminé :

Il comporte une rainure permettant de faire passer un bout jusqu'à 12mm.

La forme de base du réa se présente comme ceci :

Nous appliquons une opération dite de révolution permettant de tracer un cercle en utilisant cette matrice.

Nous perçons le réa car il doit contenir le roulement et permettre le passage d'un axe le solidarisant avec la joue. Le trou fait 15mm de rayon. Il est placé exactement au centre du cercle du réa.

C'est terminé pour cette partie.

c) conception du roulement à rouleau.

Le roulement à rouleaux est un système qui repose sur la mise en place de plusieurs rouleaux cylindriques (il en existe des sphériques) positionnés contre l'intérieur du réa. L'utilisation de roulements à rouleaux cylindriques est préconisée pour des applications où les charges radiales sont importantes (donc autour du centre du réa. Les charges axiales (c'est-à-dire transversales à la poulie) infligées à ces roulements doivent quant à elles rester faibles. 
 

Dans cette première version nous n'utiliserons pas de cage pour les rouleaux. Il s'agit d'un point d'amélioration possible. Néanmoins, ces roulements jointifs sont très résistants mais ne supportent pas des vitesses de rotation élevées.

Voici le principe de fonctionnement de notre roulement à rouleaux cylindrique sans cage dit jointif.

Le roulement est constitué d'un réa plus petit destiné à recevoir les rouleaux et des rouleaux eux-mêmes.

Le réa a une forme relativement simple qui prévoit des bords suffisants pour assurer une bonne résistance axiales.

Les dimensions :

Cette forme de base subit le même traitement que pour le réa principal c'est-à-dire que l'on va lui appliquer une révolution :

Ensuite, il faut percer ce roulement en son centre pour permettre le passage de l'axe qui solidarisera le réa, le roulement et les joues.

Le trou a 5mm de rayon :

Voici le roulement complet :

La création des rouleaux est simple puisqu'il s'agit de batonnets :

Les dimensions sont 10mm de haut et 3,6 de rayon. Ils seront fabriqués avec une structure pleine pour résister à l'écrasement. Ces batonnets peuvent être remplacés facilement si besoin.

Voilà l'ensemble des pièces a été conçues. Nous exportons chaque pièce au format STL et les ouvrons dans Cura :

Dans un premier temps les pièces sont imprimées en PLA pour valider la conception. Il est possible d'imprimer la totalité des pièces nécessaires en une seule passe d'impression. Dans mon cas, une poulie est imprimée en 15 heures environ.

 

Au niveau de la résistance de ce genre de poulie, comme expliqué plus haut, elle dépend de plusieurs facteurs.

a) la résistance du matériau d'impression. En carbone on atteint 2700Mpa en traction ou en flexion. Rappelons ici que 1 pa est égal à l'exercice d'une force de 1N sur une surface plane de 1m². Donc 2700Mpa correspondent à 275 kg force / mm². C'est déjà respectable.

b) l'orientation des couches de filament par rapport à la force principale exercée

Dans notre cas, le réa est imprimé à plat : la force sera exercée perpendiculairement au dépôt. La force de compression ou d'arrachement (axial) devrait être très limitée.

c) le taux de remplissage

Entre 20% de taux de remplissage et 80%, la résistance est multipliée par 2...

En conclusion, des tests de résistance montrent qu'il est possible d'avoir une charge de travail de l'ordre de 300 à 400 kg sans problème. En crête, une résistance de l'ordre de 1500kg est envisageable. Nous sommes sur des valeurs comparables aux poulies du marché.

Il faut préciser ici qu'il ne faut pas se laisser abuser par ces ordres de grandeur en crête (les fabricants annoncent des valeurs souvent élevées en tonnes..) car ce qui compte c'est bien la charge de travail qui est régulièrement appliquée et qui use véritablement les matériaux.

 

Résultats d'une impression en PLA :

Le réa de la poulie

La roue de roulement et les batonnets. Le positionnement des batonnets peut être réalisé en les collant sur une bande de scotch que l'on enlève au moment de l'insertion dans le réa.

Le réa monté avec son roulement et les batonnets

Les joues de la poulie

Il reste à positionner le réa dans ses joues.

Analyse économique de la fabrication :

Pour une poulie de 59mm, avec un taux de remplissage de 40%, la fabrication consommera 12m de filament environ. Sachant que la bobine fait 78m et coûte 60€ environ. Il sera donc possible de réaliser 6 poulies dans chaque bobine. Soit un cout de revient de l'ordre de 10€ de matière.

Si l'on ajoute l'amortissement de l'imprimante, l'électricité... on arrive à un coût de l'ordre de 12€ par poulie. C'est donc très rentable.

 

 

 

 

 

Les derniers commentaires :

Bateau21m
Artamerenshort

Pour la resistance du infill et des paterns, j'ai trouvé ça (en englais) avec des graphiques. (on trouvera surement mieux si on cherche plus longtemps)
https://engineerdog.com/2015/09/02/mechanical-testing-3d-printed-parts-results-and-recommendations/comment-page-1/

mardi 23 janvier 2018 20:25
Jambedebois
JambeDeBois

L'ASA est un matériau resistant. Tu peux essayer tel quel tu vois combien de temps ça tient. Je n'ai pas beaucoup de recul avec l'ASA sur la tenue dans le temps. Dans le pire des cas, en réimprimer une dans quelques mois et l'ameliorer si besoin n'est pas un gros problème... Sinon preventivement un bout de chambre à air sur la bande de roulement peut suffire.

mardi 23 janvier 2018 17:37
Jambedebois
JambeDeBois

En fait, dans les paramètres de tranchage tu as du remarquer qu'un recouvrement prevu. C'est ce qui permet aux tracés de coller les uns aus autres quand ils se touchent. Souvent c'est par défaut de 15%. Dans ce cas, inutile de monter au delà de 85% d'infill.
.
La résistance est complexe avec l'impression 3D, car elle dépend du type de filament, de l'orientation des couches vis à vis de l'effort, de la hauteur de couche par rapport au diamètre de la buse, entre autres. Je vais tenter de faire court. Le type de fil fait la résistance à l'usure et les propriétés mecaniques globales. Plus c'est imprimé chaud sur lit chaud, moins on risque une séparation entee les couches. L'épaisseur du périmètre fait la résistance au poinçonnement et le remplissage la resistance à la compression. Un faible remplissage allège la pièce et revient moins cher. Mais moins il y a de plastique, moins c'est solide. A moins d'avoir une coque ou un sandwich très rigide, le vide à l'intérieur de la pièce est une fragilité. En impression 3D le remplissage se fait generalement moins vite donc la fragilité est augmentée en raison d'une pauvre cohesion entre les couches de remplissage. Quand on imprime une pièce pleine, on elimine cet inconvenient.
.
Mon avis est qu'il faut bien evaluer la pièce à imprimer et les efforts qu'elle va devoir tenir. Je n'aime pas avoir à réimprimer une pièce trop fragile. Du coup je prevois costaud dès le dessin, mais je ne m'arrête pas là. dans le cas d'une poulie, j'ajouterai une bague en bronze ou un roulement pour eviter l'usure de frottement sur l'axe, et comme la poulie sera probablement imprimée à plat, je ferai une petite stratification avec du ruban de verre sur la bande de contact. Ainsi le risque de delaminarion entre les couches serait réduit à néant. Et tu te retrouve avec une poulie qui ne craint pas la comparaison avec un modèle du commerce. Après, c'est sur que si c'est pour un bout de garcette, juste sortie du plateau elle fera l'affaire telle quelle.

mardi 23 janvier 2018 16:11
Avatarh_o-2
Now

@JambeDeBois,

Tu dis "Pour la résistance, rien ne vaut un plastique pur mais solide et une pièce imprimée sans vides ou sans treillis."

Tu veux dire que dans ce cas tu met le paramètre "infill" à 100% ?

J'avais lu quelque part (je sais plus ou désolé) que au delà de 60/70% et avec une bonne épaisseur de parois, la résistance, n'augmente plus, voir peut diminuer?

Je n'ai jamais imprimé à 100% d'infill mais j'ai une pièce en préparation qui va devoir être solide (un guide chaîne pour mon guindeau).
J’envisageais de faire un proto fonctionnel en impression 3D pour valider la pièce puis de la faire usiner à l'identique dans un bloc d'ertalite ou quelque chose du genre.

je me dis que finalement en imprimant bien rempli en ASA, ça peux, peut être être assez solide?

La pièce est assez massive, un genre de bloc rectangulaire mais qui épouse la forme de la poupée pour éviter que la chaîne ne vienne se coincer à la remonté en s'enroulant dans la poupée.
le guide d'origine, qu'ils appellent "doigt de guidage" est mal foutu et la chaîne vient se coincer en dessous, ça fait la deuxième pièce d'origine que je change et ça recommence

Dans ce cas, tu préconiserais un remplissage à 100%?

Qu'en penses tu?

ou qu'en pensez vous, les autres on le droit de donner leur avis bien sur

mardi 23 janvier 2018 14:17
Jambedebois
JambeDeBois

Le fil carbone augmente la rigidité de la pièce, mais la rend plus fragile car forcément il y a moins de cohésion. Pour moi c'est pour faire des pièces légères et rigides, mais pas plus résistantes. Pour la résistance, rien ne vaut un plastique pur mais solide et une pièce imprimée sans vides ou sans treillis.

mardi 23 janvier 2018 13:55
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