Atelier Extrudeuse Filament Plastique
Une Technique de 
dans les catégories Électronique, Énergie, Projet de Groupe en cours
Dans le cadre du Projet Plastique du Hatlab, un atelier est mis en place pour construire une extrudeuse de filament plastique à partir de granulés ou de plastique recyclé broyé.
Sommaire
- 1 Etape n°1 - Etat des lieux de l'existant
- 2 Etape n°2 - Bilan du matériel nécessaire
- 3 Etape n°3 - Test et adaptation des moteurs
- 4 Etape n°4 - Entonnoir
- 5 Etape n°5 - Butée à bille
- 6 Etape n°6 - Corps de chauffe et isolation thermique
- 7 Etape n°7 - Elements chauffants
- 8 Etape n°8 - Bilan des pièces détachées et Préassemblage
- 9 Etape n°9 - Couplage Moteur 1
- 10 Etape n°10 - Couplage Moteur 1 - Améliorations
- 11 Etape n°11 - Couplage Moteur 2
- 12 Etape n°12 - Cablage circuit de chauffe et PID
- 13 Etape n°13 - Cablage 12V
- 14 Etape n°14 - Découpe de la fenêtre dans le tube d'acier
- 15 Etape n°15 - Positionnement et vissage du thermocouple
- 16 Etape n°16 - A propos de MOFSET
- 17 Notes et références
Liste des matériaux
- Tube de plomberie acier ou fonte 1/2" (15/21 mm) de 20 à 30 cm
- Foret à bois Helicoidal 16 mm de 400mm à 600mm
- Moteur avec réducteur, fort couple, 10 à 100 tours par minute
- Colliers de chauffe pour un total de 200 à 300 W
- Controleur de température PID avec sonde de type K, TMax >= 300 °C
- Contrôle moteur avec inverseur et vitesse variable
- Alimentation et cables électriques
- Cadre : Bois MDF ou contreplaqué 2 mm, brides 15/21, équerres, visserie
- Mécanique : Adaptateur, tube carré, boulons, écrous, butée à bille
- Electronique : Switchs, relai, mofset, cables, connecteurs
Liste des outils
- Bois : scie, limes, perceuse, tournevis, marteau
- Metal : scie métaux, limes, meuleuse
- Electro : fer à souder, multimètre, alimentation 12V régulée
- Thermique : thermomètre
- Equipements de Protection Individuels : lunettes, gants
Etape n°1 - Etat des lieux de l'existant
La page suivante présente différents modèles d'extrudeuse à filaments à construire ou à acheter :
Pour l'atelier, on peut viser l'un des trois premiers modèles de la liste :
- Low-Cost Filament Extruder (To Build)
- Lyman Filament Extruder II (To Build)
- Filastruder Kit & Filawinder (To Buy)
Tutorial du premier modèle :
Si on veut aller plus loin par la suite, on pourra s'inspirer de modèles commerciaux au design plus professionnel comme le Noztek :
Etape n°2 - Bilan du matériel nécessaire
Tube, Brides, Foret, Element de Chauffe, Support, Moteur, Couplage, Bouchon, Equerres, Boulons, Corps de Chauffe, Controleur PID avec sonde type K, Relai, Butée à bille,
Etape n°3 - Test et adaptation des moteurs
Moteur d'Essuie Glace de Clio
Axel a amené son moteur d'essuie-glace. On l'a testé et démonté. Il était très coupleux mais un peu fatigué.
L'essuie glace arrière à une connectique simple: un câble bleu, un câble blanc et un câble jaune-vert. Câble blanc: le - Câble bleu: le +12V Cable jaune-vert: signal pour démarrer le moteur. A l'intérieur du carter en sortie de moteur un petit mécanisme transforme un mouvement de rotation en mouvement de rotation va et vient. Il faudra le retirer partiellement pour garder un mouvement de rotation continue.
Moteur de Lève Vitre et Essuie Glace Arrière DS3
Marie-Estelle a amené un moteur de lève vitre et un moteur d'essuie-glace arrière démonté sur une épave de DS3 Crossback.
Le lève vitre a l'avantage d'avoir un arbre de sortie qui tourne sans fin à la demande sans besoin de modification. Par contre la connectique était complexe (5 fils). En connectant un source d'électricité 12V nous n'avons pas réussi à faire fonctionner le moteur. Nous avons ouvert l'arrière de la connectique et découvert un circuit imprimé qui commandait le moteur.
Axel a court circuité ce circuit imprimé et soudé deux fils juste en amont des 2 contacts en entrée du moteur. Sa fonctionne ! Si on met le +12V sur un fil et la masse sur l'autre le moteur tourne dans un sens. Si on inverse, il tourne dans l'autre sens. En pièce jointe, une photo du moteur modifié.
Ces deux moteurs semblent moins puissants qu'un moteur d'essai glace avant mais peuvent être utilisés pour commencer.
Etape n°4 - Entonnoir
Etape n°5 - Butée à bille
Une butée à bille doit être positionnée sur la tige du forêt au niveau du col pour bloquer le recul de la vis sans créer de frottement.
La tige de notre forêt a un diamètre de 12,5 mm et un peu moins de 16mm au niveau du col. On peut chercher du 12 (à limer), du 12,5 mm (ajusté), du 13 mm (adapté) ou plus grand 14 ou 15 mm (large).
Remarque : dans la liste des pièces pour le modèle Lyman 2 il est fait référence à une butée à bille de diamètre inférieur donc on peut s'interroger sur la dimension de la tige de notre forêt.
En fait, la dimension des tiges n'est pas standard elle dépend du type d'embout utilisé par le forêt (SDS, hexagonal avec diamètre variable). Si on ne trouve pas de modèle de butée adapté. On pourrait devoir changer de forêt, usiner la tige ou ajouter un tube entre la tige et le roulement.
En cherchant des infos sur les "butées à bille" ou "thrurst bearing" sur internet on tombe sur les modèles suivants :
- Butée à bille normalisée (51101 ou 51102) d = 12 mm ou 15 mm
- Butée à bille au standard américain (6031/4VBF53) : d= 12,7 mm = 1/2"
- Butée à aiguille (AXK1326) : d= 13 mm
Plus anecdotiquement, on trouve également au rayon serrurerie :
- Bagues de paumelles à billes : d = 12,3 mm
Etape n°6 - Corps de chauffe et isolation thermique
L'idee est de faire un petit four thermostate en bout de tube (ou le long si besoin).
Classiquement on entoure le tube avec un corps de chauffe (alu, cuivre, laiton) en contact avec l'élément chauffant (collier, cartouche) et le thermostat (sonde de type K). Le tout est recouvert d'un isolant thermique (laine de roche, silicate de calcium) pour eviter de perdre la chaleur.
Pour préparer la séance de l'atelier on peut récupérer des tubes, plaques ou morceaux d'aluminium, cuivre ou laiton. Idem pour les tissus isolants type laine de roche, les scotchs isolants type capton ou autre mastics refractaires.
Antoine a évoqué la possibilité d'utiliser un rouleau de papier aluminium pour faire le corps de chauffe. Après réflexion ça pourrait peut-être marcher (voir le par exemple le "japanese foil ball challenge").
Etape n°7 - Elements chauffants
Plusieurs types d'éléments chauffants sont utilisables a priori :
- Résistance (four, plaque de cuisson, ...)
- Fil chauffant (sèche cheveux, fer à souder, ..)
- Cartouche chauffante (hot-end imprimante 3D, ...)
- Plaque chauffante PTC (fer à lisser, ...)
- Bande chauffante (extrusion plastique,...)
Le plus utilisé pour l'extrusion de plastique est le collier de chauffe qui se fixe directement sur le tube ou sur un cylindre servant de corps de chauffe. Certains projets reprap utilisent des cartouches ou des plaques de chauffe.
Les colliers de chauffe existent en inox, laiton ou mica. Il est plus facile de trouver des colliers de 42x50 à 200W que des colliers plus petits (25, 30 ou 35 mm). Les colliers plus petits sont généralement moins puissants 30mm =>120W par exemple. Le colliers laiton semble le modèle le plus "passe partout" en terme de puissance et de solidité.
Les cartouches existent dans différents voltages et puissance et sont faciles à trouver sur les sites de vente par correspondance. On en trouve en 12V ou en 220V allant de 40W à 400W.
Les plaques PTC sont également peu chères et faciles à trouver et à utiliser. Elles sont calibrées pour une température maximale (200°C, 230°C) qu'elles ne peuvent pas dépasser( la résistance diminue). C'est une sécurité. Les plaques standard ont une longueur de 70 mm et une puissance de 40W.
Etape n°8 - Bilan des pièces détachées et Préassemblage
Il nous manque encore des pièces importantes pour finaliser la machine mais on a réuni pas mal de choses à ce stade en mode achat, récup ou bricolage.
Pièces à commander cette semaine pour compléter le package :
- Module Mofset pour moteur DC 12-24V et cartouche de chauffe 12 V
- Colliers chauffants 35mmx50mm et cartouches de chauffe 220V
En attendant de recevoir les pièces manquantes, on peut commencer à se faire une idée de la machine finale en rassemblant les pièces détachées sur la table.
- Première étape : toutes les pièces en vrac sur la table
- Deuxième étape : pré-assemblage de l'extrudeuse
Programme de la semaine prochaine :
- Menuiserie et assemblage
- Couplage et contrôle moteur
Etape n°9 - Couplage Moteur 1
Notre premier moteur est un moteur d'essuie glace. Le système d'axe est excentré et prévu pour un mouvement oscillatoire. Pour pouvoir s'en servir il faut le "hacker" et "l'adapter" à notre besoin.
Le moteur a une roue dentée avec un axe au centre et un trou excentré. Le cache sert de piste de glissement. Sa forme circulaire permet de loger un adaptateur cylindrique en se servant de la roue comme support. Un perçage du capot permet de faire passer un axe couplage et de voir à travers.
Spécification et modélisation de l'adaptateur :
- Photos du moteur avec prise de mesures
- Modélisation sous Open-Scad de la roue et d'un adapteur
Après réflexion, ce modèle demande d'être amélioré sur plusieurs points :
- 1/ Fixation du dessous sur la roue
- 2/ Glissement du dessus sur le capot
- 3/ Type de couplage avec l'axe de rotation
- 4/ Ajustement des dimensions au carter
Etape n°10 - Couplage Moteur 1 - Améliorations
Idées :
- Pour le passage des efforts, plus il y a de surface de contact entre l'adaptateur et la roue mieux c'est. Si tu veux limiter le nombre d'ergots, fais déjà tous les ergots les plus à l'extérieur de ton adaptateur.
- La roue et l'adaptateur seront simplement maintenus en Z par pincement entre le carter métallique et le carter plastique. Initialement les concepteurs du moteur avaient prévu une surface de contact très petite. Et ils y ont placé une pastille de nylon ou Téflon. Pour notre adaptateur, je pense qu'il faut réduire notre surface de contact avec le carter plastique. Pour faire un système stable je te propose de faire pousser 3 ergots répartis à 120° autour de l'axe de rotation de l'adaptateur. Au bout des ergots il faudrait idéalement un matériau du même genre que du Téflon.
- L'adaptation peut se faire directement sur la tige helicoidale ou via un adaptateur carré ou hexagonal. Il est facile d'imprimer un coupleur en 3D ou de brancher un coupleur en métal si on utilise un embout hexagonal ou carre.
Proposition 1 (tout en un) :
- Ergots intégrés dans l'adaptateur
- Ajout de 3 plots de glissement intégrés
- Couplage hexagonal mâle intégré
Proposition 2 (modulaire) :
- Ergots remplacés par des logements pour taquets (en acier)
- Ajout de logements sur le dessus pour 3 plots (en PTFE ou Nylon)
- Couplage hexagonal conique femelle
- Coupleur hexagonal droit male/male avec une jupe de protection
- Ajustement au plus près aux dimensions de la roue et du carter
Etape n°11 - Couplage Moteur 2
Le deuxième moteur est un moteur de lève vitre. Plus petit, il semble un peu plus adapté. Après un "hack" de la connectique, il reste à créer un adaptateur direct sur la roue dentée ou sur le cylindre noir fileté (où était enroulé le cable du lève vitre) de type bouchon.
Opération effectuées en séance et post-séance :
- Prise de dimensions à l'aide de photos
- Modélisation d'un adaptateur sous Open-Scad
Remarques :
- Le concept de couplage femelle conique est repris du coupleur du moteur 1. Ainsi les deux moteurs seront interchangeables.
- L'empreinte du pas de vis sur le bouchon est un élément assez compliqué à modéliser avec Open-Scad et long à générer.
- Un logement est prévu pour un taquet afin de bloquer la rotation du bouchon, en espérant que ça marche ...
Les différents modèles sont exportés en STL et découpés avec Cura. Il reste à les imprimer en 3D et à les tester pour voir ce que ça donne.
Etape n°12 - Cablage circuit de chauffe et PID
Tout le matériel est arrivé. En attendant la réouverture du Sunlab, on peut réfléchir au cablage des différents éléments.
Liste de matériel disponible dans le désordre :
- Collier et cartouche de chauffe 220 V (120-280W)
- Cartouche de chauffe 12V (40W) + Thermistance de type K
- PID REX-C100 + Relai SSR-40DA + Thermistance de Type K
- Module Max6675 + Thermistance de Type K
- Module Mofset (référence Axel ?)
- Optocoupleur MOC3041
- Cable, Interrupteurs, Dominos, Cosses 220V
- Breadboard, Cables 5V, 12V
- Arduino + Ecran LCD
- Alim PC 12V (à hacker)
Amélioration possible : l'utilisation d'une prise d'alimentation avec interrupteur et fusible de type IEC320-C14 permettrait de standardiser le branchement de la machine.
Etape n°13 - Cablage 12V
Proposition d'un cablage en 12 V avec pilotage et contrôle par Arduino 5V.
Le montage est extrait du tutorial "Temperature PID controller - Arduino" de electronoobs.com.
Dans un premier temps, on peut ignorer le "rotary encoder" et fixer la température sur le PC mais on pourra l'ajouter si ça marche.
A vérifier et valider ensemble avant montage.
NB. Composants électroniques nécessaires en plus :
- Résistance 100 kOhm
- NPN Transistor [S8050]
- Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOFSET) [IRFZ44N].
Etape n°14 - Découpe de la fenêtre dans le tube d'acier
Pour faire passer les granulés, il faut découper une fenêtre dans le tube d'acier Jean Michel nous a rejoint durant la réunion virtuelle du lundi soir, il se propose de mettre ses talents à contribution. Rendez vous pris le lendemain dans son garage avec les distances de sécurité pour un séance "meulage"...
Objectif : faire un trou rectangulaire dans un tube acier de 15/21 de 20 cm. La fenêtre doit faire entre 4 cm et 5 cm de long, à 2 cm de bord et s'arrêter au dessus de la ligne médiane en hauteur.
Outils utilisés : meuleuse d'angle avec disque métal et mini-meuleuse avec petite scie métal.
La meuleuse d'angle est fixée à l'établi, on trace au stylo puis on marque au scotch la fenêtre à découper, on s'équipe avec gants et lunettes et c'est parti.
Jean-Michel grignotte le tube tranquillement en faisant des aller-retours. On vérifie la profondeur puis on continue jusqu`au scotch. Le travail se termine à la mini meuleuse. Test avec la mèche en place : c'est nickel !
Merci Jean-Michel pour ce super boulot et pour les cerises.
Etape n°15 - Positionnement et vissage du thermocouple
Le thermocouple dont nous disposons sont de type K avec une vis de 10 mm en M6 avec un pas de vis non standard.
Plusieurs questions se posent :
- Où positionner cette vis pour capter correctement la température
- Comment assurer une fixation solide avec une faible épaisseur de tube ?
- Comment gérer le filetage non-standard ?
Première idée
Le capteur peut être positionné en amont ou en aval du corps de chauffe. Avec un seul collier de chauffe, le positionnement en aval au plus près du nez semble le plus simple à mettre en œuvre.
En ce qui concerne la fixation, on doit pouvoir percer le tube pour immerger la tête du capteur dans le métal. Pour augmenter artificiellement l'épaisseur on peut ajouter une section de tube épais clipsé sur le tube.
En ce qui concerne le filetage, on peut essayer de refaire un filetage en forçant la vis dans un trou de diamètre juste intérieur à 6 mm. Si besoin ajuster le diamètre au plus près à la perceuse avant vissage.
Deuxième idée
En s'inpirant du Noztek pro, faire passer le capteur de température au milieu du collier :
- percer un trou (ou chaussette) de 6 mm sans traverser, au milieu de la couronne cylindrique entre tube/raccord et collier
- percer un trou un peu plus large (8 à 10 mm) au milieu du collier et à l'opposé des résistances !
Troisième idée
Utiliser une thermistance d'imprimante 3D sans embout, et l'enfiler sous le collier de chauffe directement. Ce montage est celui préconisé dans la machine DIY et semble bien adapté pour un Cablage 12V.
Etape n°16 - A propos de MOFSET
L'utilisation des cartouches de chauffe et de moteurs en 12V nous a fait découvrir un composant très utile pour nos montages : le MOFSET.
Quelques références (voir les datasheet en image) :
- IR520N, inclu dans les modules MOFSET Arduino pour moteur, vanne, etc, ...
- IRFZ44N, utilisé à l'étape Cablage 12V pour piloter un corps de chauffe
- HA210N6, utilisé sur les modules MOFSET pour imprimante 3D
Modules souvent utilisés par les makers :
- Module MOFSET pour Arduino (à base de IR520)
- Module MOFSET pour imprimante 3D (à base de HA210N6)
Questions :
- Comment lire les spécifications ?
- Sont ils interchangeables pour un usage simple (type 60W, 12V, 5A) ?
- Qu'est ce que rajoute la carte module associée ?
