[PDF] Rapport de stage de 4ème année

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Spécialité Mécanique et Conception de Système

7 Avenue Marcel Dassault

37200 TOURS, FRANCE

Tél : +33 (0)2 47 36 13 00

www.polytech.univ-tours.fr pour imprimante 3D

Tuteur académique :

Mr Le Quilliec Guenhaël

Enseignant Chercheur

Etudiants :

Sill Etienne

Cazal Benjamin

5A DMS - Promotion 2017

Etienne Sill 5A DMS

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I. Remerciements

Conception de Systèmes.

Aussi, nous souhaitons remercier et témoigner toute notre reconnaissance aux personnes suivantes, pour les conseils apportés ainsi que leur collaboration tout au long de ce projet :

Monsieur Guenhaël Le Quilliec, enseignant chercheur en mécanique à Polytech Tours, notre tuteur de

connaissances en matériaux polymères et en rhéologie.

Monsieur Sébastien Beaufils, responsable du service informatique du département informatique

Messieurs Corentin Lavergne et Pierre Provot, étudiants au département informatique industriel de

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Table des matières

I. Remerciements ........................................................................................................................................ 1

II. Introduction ............................................................................................................................................. 4

III. Cahier des charges ............................................................................................................................... 5

A. Analyse du besoin ................................................................................................................................ 5

B. Analyse fonctionnelle .......................................................................................................................... 6

1. Phase et cycle de vie du produit ..................................................................................................... 6

2. Graphes et fonctions de service ...................................................................................................... 6

C. Carte mentale ....................................................................................................................................... 9

IV. Analyse ............................................................................................................................................... 10

A. Présentation de la Vertex K8400 ....................................................................................................... 10

B. Problématique .................................................................................................................................... 12

1. Le PLA (acide polyactique) ............................................................................................................. 13

D. Recherche de solutions ..................................................................................................................... 14

1. Alternance de différentes couches ............................................................................................... 14

2. Mélangeur statique ........................................................................................................................ 14

3. Mélangeur dynamique ................................................................................................................... 15

V. Conception ............................................................................................................................................. 16

A. Présentation du système ................................................................................................................... 16

B. Mélange des deux polymères ........................................................................................................... 17

1. Chauffage de la chambre ............................................................................................................... 17

1. Choix des matériaux : arbre mélangeur ........................................................................................ 17

2. Choix des matériaux : support/buse ............................................................................................. 18

1. Etude des roulements .................................................................................................................... 18

2. Choix des matériaux : logement des roulements ......................................................................... 21

D. Etanchéité du système ...................................................................................................................... 21

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1. Fonctionnement du système ......................................................................................................... 21

2. Choix des matériaux : joint plat, joint à quatre lobes et chapeau ............................................... 22

E. Choix du moteur ................................................................................................................................ 22

G. Adaptation de la nouvelle tête sur le support .................................................................................. 22

VI. Conclusions ........................................................................................................................................ 23

VII. Références .......................................................................................................................................... 24

VIII. Annexes .............................................................................................................................................. 25

A. Plan n°1 : Assemblage tête mélangeuse ........................................................................................... 25

B. Plan n°2 : Arbre mélangeur ............................................................................................................... 26

C. Plan n°3 : Arbre mélangeur bis .......................................................................................................... 27

E. Plan n°5 : Logement des roulements ................................................................................................ 29

F. Plan n°6 : Support/Buse ..................................................................................................................... 30

G. Plan n°7 : Plaque support .................................................................................................................. 31

H. Roulement à billes SKF 624 ............................................................................................................... 32

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II. Introduction

en passant par une arme à feu fonctionnelle, il est possible de tout reproduire avec une imprimante 3D.

organes humains, en parfait état de fonctionnement, afin de pouvoir faire des opérations dessus et

pourquoi pas, un jour, réussir à les implanter sur des patients en attente de greffe.

but est de réussir à reproduire des organes humains qui seront destinés aux étudiants en médecine afin

Le département informatique industriel a donc acheté une imprimante 3D par dépôt de matière et nous

a confié la mission de concevoir un système permettant de répondre à ce besoin. Il nous est donc imposé

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III. Cahier des charges

A. Analyse du besoin

Pourquoi le besoin existe-il ?

fabrication additive.

Figure 1 - Diagramme bête à corne

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B. Analyse fonctionnelle

1. Phase et cycle de vie du produit

Cette partie décrit les différentes phases par lesquelles notre produit passe. Figure 2 - Graphe des différentes phases du produit Ensuite, nous tracerons les graphes des interactions (diagramme pieuvre) pour chacune de ces phases

de vie afin de connaître toutes les interactions entre nos produits et son entourage. Cela nous permettra

2. Graphes et fonctions de service

a) Phase de conception Figure 3 - Graphe APTE de la phase conception du produit

N° Expression Critère Niveau Flexibilité

Fc 1.1 Utiliser les moyens matériels

disponibles

Nombres de

moyens шϭ F0

Fc 2.1 Utiliser les moyens humains

disponibles

Nombres de

moyens шϭ F0

Fc 3.1 Rédiger une notice de

montage/utilisation du système

Compréhensible

Âge > 18

ans F1 Tableau 1 - Expression des fonctions pendant la phase de conception

Cette partie concerne la première phase de notre projet, elle décrit les moyens que nous allons utiliser

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b) Phase de fabrication

La partie fabrication commencera une fois la conception terminée et validée avec notre professeur

fabrication. Elle comprend la fonction principale de notre produit ainsi que toutes les contraintes liées à

Figure 5 - Graphe APTE de la phase d'utilisation

N° Expression Critère Niveau Flexibilité

Fc 1.1 Utiliser les moyens matériels possibles Nombre de moyens шϭ F0 Fc 2.1 Utiliser les moyens humains disponibles Nombre de moyens шϭ F0 Tableau 2 - Expression des fonctions pendant la phase de fabrication Figure 4 - Graphe APTE de la phase de fabrication du produit

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d) Phase de nettoyage Figure 6 - Graphe APTE de la phase de nettoyage du produit

N° Expression Critère Niveau Flexibilité

Fc 1.1 Doit pouvoir être nettoyable

manuellement Ergonomie Tnettoyage < 10 min F0

Fc 2.1 Doit être nettoyable avec des

produits courants

Zone accessible avec

une éponge / F1 usagée / F1 Tableau 4 - Expression des fonctions de la phase de nettoyage

N° Expression Critère Niveau Flexibilité

Fp 1

Imprimer des représentations

différentes duretés

Obtenir la dureté

choisie +/- 10 %

F0 Dépose de la matière

proprement Pas de résidu de matériaux utilisés

Diamètre

Type de matériau

1,75 mm

ABS, PLA F1

VERTEX dont nous disposons Support en plastique 4 vis sont déjà présentes F0

Aucune détérioration visible

Aucun rejet polluant pour

disponible Réseau imprimante 12V F0

Fc 5.1 Assurer la facilité de montage

Simplicité des fixations

Prise en main rapide

Temps de montage

Adapté au logiciel initial F1

Fc 5.2 Ne pas être dangereux pour

Tableau 3 - Expression des fonctions pendant la phase d'utilisation

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e) Eléments du milieu extérieur

Critères Valeurs

Type Valide

Âge De 15 à 70 ans

Milieu extérieur

Critères Valeurs

Température utilisation 15°C à 30°C

Température stockage 5°C à 40°C

Imprimante 3D

Critères Valeurs

Marque Velleman

Version Vertex K8400

Logiciel Repetier Host

Découpeur / Slicer Slic3r ou Cura

Matière première

Critères Valeurs

Forme Bobine

Diamètre 1,75 mm

C. Carte mentale

Figure 7 - Carte mentale de notre tête d'impression

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IV. Analyse

A. Présentation de la Vertex K8400

Figure 8 - Imprimante Vertex K8400

Notre système est une imprimante 3D de type VERTEX K8400 de la marque Velleman. Cette imprimante

déroulement de notre fil qui est stocké sur une bobine. Un élément chauffant situé dans la partie basse

formes que nous souhaitons en superposant plusieurs fines couches. Figure 9 - Fonctionnement de l'impression par fil fondu

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Figure 10 - Vu en coupe d'une tête d'extrusion

Imprimer en deux matériaux différents : généralement utilisé pour imprimer en deux couleurs

différentes. Figure 11 - Impression bicolor Figure 12 - Impression avec support

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B. Problématique

avec différents matériaux mais de façon hétérogène. En faisant varier la température de chauffe nous

moins importante.

mélanger au moins deux matériaux, en faisant varier le rapport de mélange, la vitesse de mélange, la

température de chauffe, etc.

Figure 13 - Epaule humaine

Il nous faut donc combiner des matériaux pour impression 3D. Il existe de très nombreuses solutions de

matériaux qui se regroupent en 4 grandes familles : les plastiques, les métaux, les céramiques et les

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1. Le PLA (acide polylactique)

de maïs, il est donc non-toxique. Ainsi, le PLA est souvent utilisé dans la confection de produits destinés

aux contacts alimentaires, des bols et des assiettes par exemple. Il commence à fondre à 160°C et est

PLA est peu sensible aux chocs thermiques.

Module de Young 3,45 à 3,83 GPa Limite à la rupture 81,5 à 99,2 MPa Coefficient de Poisson 0,38 à 0,4 Allongement 14 à 18 % Dureté Vickers 14 à 18 HV T° Transition vitreuse 56 à 58 °C Limite élastique 48 à 60 MPa Prix 1,78 à 1,95 ΦͬŬŐ

Tableau 5 ʹ Propriétés du PLA

fabrication des célèbres jouets Lego. On le retrouve également dans la carrosserie des voitures ou encore

les appareils électroménagers. Il commence à fondre à 180°C et est réellement travaillé vers 230°C. Il est

procédé chimique. Module de Young 2 à 2,9 GPa Limite à la rupture 40 à 80 MPa Coefficient de Poisson 0,394 à 0,422 Allongement 20 à 100 % Dureté Vickers 8,9 à 13,2 HV T° Transition vitreuse 88 à 120 °C Limite élastique 29,6 à 44,1 MPa Prix 1,76 à 1,93 ΦͬŬŐ

Tableau 6 ʹ Propriétés de l'ABS

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D. Recherche de solutions

1. Alternance de différentes couches

pour 1 couche de PLA et inversement. Nous avons découvert que cette solution avait déjà été essayée

eux.

Figure 14 - Alternance de PLA et d'ABS

2. Mélangeur statique

Nous avons donc cherché une nouvelle solution mieux appropriée. Ainsi, nous avons imaginé un système

Figure 15 - Mélangeur statique

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Ce système possède malheureusement de gros inconvénients : la température dans la chambre doit être

très élevée et uniforme pour que nos deux polymères soient suffisamment fluides et puissent se

mélanger correctement. De plus, pour que le mélange soit homogène il faudrait un mélangeur avec une

longueur bien plus importante que ce dont nous disposons pour notre système.

3. Mélangeur dynamique

particulières qui vont permettre de mélanger nos deux matériaux comme nous pouvons en voir une

de taille ici est que ce système ne permet pas une impression en continu : nous devons réaliser le

mélange en " chambre fermée » pour obtenir un mélange parfait et ensuite pouvoir extruder sur notre

plateau.

Figure 16 - Mélangeur dynamique

dans la partie suivante.

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V. Conception

A. Présentation du système

Figure 17 - Composants du système mélangeur

impression quasi-instantanément après celui-ci.

Le mélangeur sera entrainé en rotation par un moteur électrique via un ensemble de poulies/courroie

cela plus en détail par la suite.

Nous avons ensuite dû imaginer un moyen nous permettant de fixer cet ensemble ainsi que son moteur

Logement roulements

Entretoise

Roulements

Arbre mélangeur

Support buse

Buse amovible

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Figure 18 - Tête d'extrusion montée sur notre imprimante

Notre système va être exposé à des variations de températures mais également à des contraintes de

frottement. Pour cela, il est important de bien déterminer les matériaux que nous allons utiliser.

B. Mélange des deux polymères

1. Chauffage de la chambre

Nous envisageons de fixer ces résistances sur la partie basse du système.

1. Choix des matériaux : arbre mélangeur

Cet arbre pourra être fabriqué en usinage conventionnel. La partie mélangeur pourra être réalisée à

aisément être fabrique en tournage en prenant soin de respecter les ajustements, les rugosités et les

tailles des différents diamètres. La principale difficulté de ces deux opérations est la mise et le maintien

en position de la pièce.

Courroie crantée

Moteur

Plaque support

Support de buse

Logement des

roulements

Support de buse

Buse amovible

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2. Choix des matériaux : support/buse

La chambre dans laquelle on va venir faire le mélange est la pièce support/buse visible en annexe sur le

plan n°6. Elle sera donc soumise à une forte température. De plus, il va y avoir de la friction entre celle-

sciences et techniques industrielles est adapté pour les pièces de frottement. En effet, son coefficient de

Désignation Rm (MPa) Re (MPa) A% Conductivité thermique (W.m-1.K-1)

41CrAlMo7-10 80 à 120 60 à 80 10 à 14 50

Cu Zn 39 Pb 2 40 à 50 2 à 20 200

Tableau 7 - Propriétés mécaniques de l'arbre et du support/buse

1. Etude des roulements

Pour garantir un bon mélange des deux composants et le bon fonctionnement de notre système, notre

arbre devra être guider en rotation par des roulements.

Pour choisir des roulements adaptés à notre montage, trois points sont à prendre en compte :

- La force axiale est importante dans les roulements vont porter le montage

avons choisi de guider notre arbre avec deux roulements à rouleaux conique à une rangée. La distance

de guidage étant faible, nous recherchons un maximum de rigidité. De plus, notre organe de transmission

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En utilisant le Guide des sciences et technologies industrielles, nous avons choisi le montage suivant :

Figure 19 - Choix épaulement

avec des dimensions assez petites. Pour la réalisation de notre assemblage en CAO, nous avons utilisé le

roulement à billes SKF suivant :

Figure 20 - Roulement à bille SKF 624

Les caractéristiques mécaniques de ce roulement sont données pour information en annexe.

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Tableau 8 - Arrêts axiaux des roulements

Les arrêts axiaux sont les suivants, en partant du haut vers le bas : - La cage de roulement permet de bloquer la bague extérieure du roulement situé en haut du montage

- La bague située au-dessus de la bague intérieure du roulement supérieur permet de bloquer la

pendant le mélange et il poussera la bague qui viendra en butée contre la poulie crantée.

- Les deux arrêts centraux sont réalisés grâce à une entretoise de diamètre intérieur 9 mm et

diamètre extérieur 12,5 mm.

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2. Choix des matériaux : logement des roulements

de travailler avec des hautes températures. Désignation Rm (MPa) Re (MPa) A% Conductivité thermique (W.m-1.K-1)

Acier S235 JR 235 340 10 à 15 50

Tableau 9 - Propriétés mécaniques d'un acier laminé à chaud à faible teneur en carbone

D. Etanchéité du système

1. Fonctionnement du système

logement des roulements. Ce joint est positionné grâce aux quatre vis m1,2 qui viennent également

serrer le chapeau contre le joint. Le second joint se met en position dans une rainure présente dans le

Tableau 10 - Chapeau d'étanchéité

Ainsi, on peut voir en jaune le joint à quatre lobes et le joint plat. En annexe, le plan n°4 décrit les côtes

spécifiques du chapeau.

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2. Choix des matériaux : joint plat, joint à quatre lobes et chapeau

roulements et le reste de notre système. Comme pour la cage des roulements, nous utiliserons un acier

E. Choix du moteur

nos deux produits, on ne peut pas dimensionner notre moteur. Pour cela, il faudrait faire une étude du

comportement rhéologique des deux matériaux. Cette étude étant très complexe, nous avons choisi

très petit, ces derniers devraient avoir assez de couple. De plus, les deux étudiants du DII sont capables

de piloter aisément ces moteurs ce qui simplifie le codage. G. Adaptation de la nouvelle tête sur le support

Notre nouvelle tête extrudeuse et son moteur sont positionnés sur le support existant grâce à une plaque

comme visible sur la photo ci-dessous : Figure 21 - Fixation de la plaque support par 4 vis-écrou La photo nous montre également que le moteur et notre système se fixent sur la plaque avec des assemblages vis-écrou.

cela il faudrait connaître le poids de chaque élément grâce au dimensionnement de chacun.

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VI. Conclusions

notre disposition. Ce système est destiné à reproduire des organes humains pour que les étudiants en

Nous avons rencontré de nombreuses difficultés au cours de celui-ci. La première était de travailler avec

nécessaire dans notre mélangeur qui nous aurait permis de le dimensionner en torsion et de

dimensionner nos roulements.

matériaux. Suite à cela, nous pourrions observer le comportement thermique de notre système : savoir

si la cage de roulement ne chauffe pas trop, vérifier que le plastique qui constitue le support ne se

biodégradable. Ces organes ont ensuite été implantés avec succès sur des patients. Une telle prouesse

conséquent. Les universités et écoles de médecine pourraient donc être intéressées par un produit bien

moins onéreux comme le nôtre.

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VII. Références

[1] http://www.lesnumeriques.com/imprimante-3d/ [2] Logiciel CES Edupack 2011 [3] J-L. Fanchon, Guide des sciences et technologies industrielles, Nathan, 2011 [4] https://github.com/Velleman/Vertex [5] http://www.skf.com/fr/products/ [6] http://www.esse.fr/ [7] http://www.tracepartsonline.net/ [8] http://www.directindustry.fr/cat/roulements-guidages-lineaires/ [9] http://www.science-et-vie.com/galerie/la-construction-de-tissus-humains-par-imprimante-

3d-devient-une-realite-6574

[10] http://www.usinages.com/ [11] http://www.visseriefixations.fr/goupilles/goupille-elastique-renforcee/acier/diametre-1- a-6.html [12] http://barreau.matthieu.free.fr/cours/ajustements/

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VIII. Annexes

A. Plan n°1 : Assemblage tête mélangeuse

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B. Plan n°2 : Arbre mélangeur

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C. Plan n°3 : Arbre mélangeur bis

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E. Plan n°5 : Logement des roulements

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F. Plan n°6 : Support/Buse

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G. Plan n°7 : Plaque support

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H. Roulement à billes SKF 624

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pour imprimante 3D

Résumé :

été mise à disposition pour ce projet.

Mots-clés :

Imprimante 3D, gradient de dureté, matériaux polymères, médecine, organes, mélange

Abstract :

Advances in 3D printing technology enable the development of many fields. Medicine is one of the

priority sector to benefit from these advances. In the short run, we wish to use 3D printing to reconstitute

human organs to allow surgical students to practice on them. It is in this perspective that we have designed a printhead for 3D printer allowing us to reproduce parts with different hardness. We have

worked with the constraint that this system must be adapted to the printer that has been made available

to us for this project.

Keywords :

3D printer, hardness gradient, polymer materials, medicine, organs, mixture

Tuteur académique :

Mr Le Quilliec Guenhaël

Enseignant Chercheur

Etudiants :

Cazal Benjamin

Sill Etienne

5A DMS - Promotion 2017

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