La fabrication rapide de prototypes

Machine à bobiner

Le prototypage rapide est une application simultanée des derniers développements en électronique, programmation et mécanique, qui permet de développer et tester des prototypes bien plus rapidement qu’il n’était possible auparavant. Les principales avancées qui ont rendues ceci possible sont :

  • L’impression 3D, qui permet de fabriquer de manière rapide et flexibles le corps d’une telle machine.
  • Les micro-ordinateurs programmables, tels que l’Arduino utilisé ici, qui permettent de modifier le comportement d’une telle machine sans avoir à modifier l’électronique.
 

J’ai conçu, fabriqué et testé cette machine à bobiner des moteurs grâce à ces technologies, à partir de pièces disponibles sur le commerce. Le processus entier, du cahier des charges à la remise en main propre, a pris un mois. Vous avez une idée de machine à développer ? N’hésitez pas à me contacter !

Les outils du fabricant de prototypes

La visserie

Une diversité considérable de petits composant est nécessaire pour couvrir toutes les éventualités du prototypage :

  • Vis de tous types et tailles bien sûr : à métal pour inserts, à bois pour se planter dans la masse du plastique, boulons…
  • Inserts en métal, fondus dans la masse d’un impression pour ensuite recevoir une vis solidement
  • Engrenages de nombreux diamètres : ces pièces sont trop fines pour être imprimées en 3D
  • Ressorts variés : dans le besoin, du fil à piano correctement déformé peut être utilisé pour créer des ressorts sur-mesure !
  • Roulements à billes, loquets mécaniques… et bien plus.
Equipement de prototypage mécanique

La mercerie

Pour les prototypes de plus grande dimensions, divers produits de mercerie peuvent servir. Rien que sur cette prothèses de main, on retrouve :

  • Du fil de pêche courant au-dessus de la paume et sous les doigts, servant à tirer sur leurs extrémités pour les recourber quand le poignet est plié
  • De petits élastiques an-dessus des phalanges, pour les ramener à leur position droite quand le poignet est relâché
  • Des formes découpées en feutrine et collées à l’intérieur, pour le confort
  • Des rubans scratch double face, pour la fixation à l’avant-bras
Main Phoenix dessus

L’électronique

De nombreux composants électroniques sont nécessaires pour tester même les fonctions de base :

  • Le cœur de mes prototypes est généralement un micro-ordinateur Arduino de taille variable. Programmés en C++, ceux-ci permettent de simuler le comportement de circuits complexes de manière rapide et flexible. Divers modules ajoutés permettent de commander des moteurs et autres composants complexes.
  • Lesdits moteurs permettent de tester des mouvements simples : les roulements des mélangeurs à cartes, les chenilles de mes divers robots programmables…
  • Toute une panoplie de LEDs, résistances, condensateurs et switchs permettent des fonctions plus complexes.
Equipement de prototypage électronique

Les familles de prototypes

Les machines : Page du matériel

Mécanique

Ce type de prototype dépend exclusivement de composants mécaniques, sans électronique embarquée. Ceci ne les rend pas simples pour autant : le jeu des engrenages et roulements, les tolérances de visserie, l’encombrement des pièces sont autant de facteurs à surveiller.

Contrairement aux autres prototypes, leur fonctionnement est entièrement bloqué dès l’impression : ils ne peuvent pas être reprogrammés en route, et doivent donc être conçus avec une grande précaution !

Prototypes mélangeurs de cartes impression 3D

Électro-mécanique

Ces prototypes mélangent l’électronique embarquée avec des composants mécaniques en mouvement, généralement par l’intermédiaire de moteurs. Bien qu’associant les difficultés de la conception mécanique et de la programmation, ils sont plus flexibles que les prototypes mécaniques car ils peuvent être reprogrammés après impression.

Ce type de prototype permet de tester non seulement le fonctionnement mécanique du produit, mais aussi le fonctionnement de ses composants : durée de vie, batterie, risques à l’usager… ils sont donc particulièrement utiles pour les hobbyistes et entreprises.

C’est sur ces prototypes que le prototypage rapide apporte la plus grande valeur ajoutée, car les trois axes de leur création (électronique, programmation et mécanique) les rendent très longs à développer via des méthodes normales.

Machine à bobiner - prototypes

Électronique

Dans le cas des appareils purement électroniques, une utilisation majeure de l’impression 3D est pour la réalisation de boîtiers sur-mesure, avant de développer des modèles qui puissent être fabriqués en série. Il faut alors prêter attention à l’encombrement des composants, mais aussi aux problèmes d’évacuation de chaleur, de perturbations électromagnétiques…

Après assemblage avec des composants sourcés sur internet, une première version de tout objet connecté, comme cet ordinateur tablette tout-terrain, peut être testée pour un coût très raisonnable !

Pour de petites et moyennes quantités (moins de 1000 boîtiers), il est de fait généralement plus économe de produire entièrement en impression 3D, économisant ainsi les frais de mise en place des usines d’injection plastique.

Prototypes boitier ordinateur ouvert impression 3D

Processus du prototypage rapide

Conception électronique de test

La première phase de la conception d’une machine spéciale est la construction de l’électronique de test, utilisant ici un circuit de test adaptatif dit « breadboard ». Le composant au cœur du circuit est le microcontrôleur Arduino, en bleu à gauche. Celui-ci est programmé par ordinateur et contrôle le fonctionnement du circuit. Les autre composants communs dans ce genre de prototype sont les moteurs, l’écran LCD et les contrôleurs moteurs (en rouge).
 
Ce circuit permet de tester le futur fonctionnement de la machine de manière flexible et réversible, en conjonction avec la programmation rapide.
Composants électroniques de prototypes

Programmation Arduino

Programmé en langage C++, simple et lisible, l’Arduino peux recevoir les entrées des divers capteurs et commander les parties actives de la machine. Le programme pour une machine simple comme cette bobineuse peut comporter entre cent et cinq cent lignes.

Il est possible de charger le programme et de le tester en une minute, ce qui permet de programmer par essais et erreurs successifs. Le gain de temps par cette méthode est considérable par-rapport à la programmation d’une machine classique, qui nécessite des modifications de hardware à chaque fois.

 

Conception mécanique

Disposant de tous les composants actifs, il est possible de les modéliser en 3D, puis de construire la machine autour. Les pièces de structure (en noir) sont prévues pour une impression 3D facile, alors que les pièces techniques (roulements, axes…) en gris sont achetées en ligne.

L’impression 3D sur place des pièces de structure permet de rapidement redessiner en direct les composants en cas de problèmes lors des tests. Par exemple, le mors de gauche ici a nécessité une demi-douzaine d’itérations, toutes réalisées et testées en une après-midi !

Modèle 3D prototypes machine à bobiner

Test en fonctionnement

La triade de prototypage électrique-informatique-mécanique permet d’aboutir en un temps record à un banc de test comme celui-ci, unissant les apports des trois pistes pour simuler le fonctionnement du système réel.

Il devient alors possible de tester la machine de manière totalement réaliste tout en gardant la flexibilité d’un banc de test, optimisant les paramètres électroniques, informatiques et mécaniques jusqu’à obtenir un fonctionnement idéal. Le programme Arduino peut être réécri, le circuit peut être modifié, les pièces peuvent être redessinées, et tout cela en quelques heures.

Prototypes de test

Électronique définitive

Enfin, une fois le système optimisé, les composant peuvent être figés. Ceci signifie notamment que le circuit de test composé de fils clipsés dans un breadboard peut être remplacé par un circuit avec composants soudés, bien plus durable. Le programme Arduino passe en version finale, les dernières pièces mécaniques sont fixées. La machine est maintenant en configuration définitive, prête pour les test finaux et la remise au client.

Machine à bobiner - interieur de prototypes