R7 AMC2

Clément GOSSELIN

Compte rendu des recherches et expérimentations du premier semestre de mémoire.

Introduction

Je souhaiterais travailler sur les méthodes de fabrication basées sur l’utilisation de machines à commandes numériques. Ce qui m’intéresse dans ce domaine, ce sont les changements que ces techniques engendrent sur les méthodes de conception. De plus en plus de logiciels d’aide à la conception voient le jour. Ils sont créés soit pour satisfaire des normes, c’est le cas des logici-elles intégrant des méthodes d’écodesign, soit pour simplifier l’utilisation d’outils complexes. Ils intègrent alors des fonctions de dessin orientés pour solutionner des problèmes techniques de fabrication dès le début de la conception (guides géométriques). Ainsi, mon travail va porter sur les méthodes de fabrication dite “non-standard” qui permettent potentiellement une plus grande liberté formelle. Mon but va être de comprendre en quoi ces méthodes peuvent être qualifiées de non-standard. Mon expérimentation consistera donc à créer un outil de fabrication commandée numériquement et d’en déterminer le reg-istre de forme associé, soit le type de forme induite par le procédé de fabrication lors de la conception d’un projet. Comprendre si la conception assisté par ordinateur (il ne s’agit ici pas seulement de dessin mais bien d’assistance, soit d’outil de simplification) induit une standardisation à l’échelle de la conception. La fabrication par le biais de machines à commandes numériques conduit elle nécessairement à la standardisation des méthodes de conception? Qu’implique un file to factory concernant le processus de fabrication? Comment le concept d’invariant peut-il se retrouver dans les outils de fabrication numérique? Ce type de méthode de fabrication est il appropriable par les architectes ou s’agit-il d’un simple fantasme sur les possibilités techniques? La complexité engendré par les techniques de conception numériques est elle maitrisable et/ou nécessaire et/ou utile? Le travail que je désir réaliser est dans la continuité de mon article de R6 réalisé avec Leda Dimitriadi. Je souhaiterais creuser la notion d’algorithme standard et de subjectivité objectivé concernant les fonctions que l’on retrouve dans les logiciels. Le travail présenté est dans la continuité du projet de P7. Il a été réalisé en binôme avec Mahriz Zakeri.

Méthode d’impression 3D

Ainsi, je vais m’interesser à un outil pouvant théoriquement tout réaliser : les systèmes d’impression 3D multimateriaux. Ces machines peuvent réaliser des impressions avec des ma-teriaux très variés possédent des varastéristiques radicalement différentes de souplesse, trans-parence, rigidiré... Ce type d’impression n’est pas encore très développé dans le secteur de l’architecture. Cepandant, Ce types de machine possèdent des caractéristiques interessante tel que : la non utilisation de coffrage, permet la fusion de plusieurs objet en un seul (Structure et isolation pourraient fusionner pour ne former qu’un seul objet continu). La page suivante montre des échantillon d’objet imprimés en 3D en une seule fois.

imprimantes 3D multimateriaux

Skylar Tibbits, Recherche au MIT Self Assembly Lab

Les sytèmes d’impression 3D d’échelle architectural

Il existe de nombreux exemple de tête d’impression crées en vue de réaliser une archi-tecture. Une bonne partie de ces dernières sont développés en école d’architecture. En voici quelques exemples :

Contour crafting système, Behrokh Khoshnevis

D-shape ; monolite UK

Petr Novikov, institu d’architecture de Catalogne

Les dualités

Afin de simplifier le problème, nous nous sommes concentrés sur des qualités architectura-les opposées tel que transparence/opaque, rigide/flexible, dense/expansé... Notre but était donc de réaliser une imprimante pouvant imprimer un matériau avec des gra-diant allant d’un extrême à l’autre de ces dualités. Nous nous somme tout d’abord intéressé aux dualités flexibles rigides. Cependant, nous avons vite changé étant donné que cela nécessitait l’utilisation de polymère très couteux. Nous nous sommes donc rabattues sur la dualité dense expansée qui permettait l’utilisation de ciment bon marché. Ce qui nous intéresse, n’est pas tant la pertinence ou l’intérêt d’un tel type d’imprimante, mais la possibilité de concevoir un projet en contrôlant les caractéristiques physique du matériau mis en œuvre point par point. La complexité des objet pouvant être produit nécessitera la con-ception d’une interface d’aide à la conception simplificateur dans le but d’utiliser tout le potentiel de cette technique (soit de pouvoir contrôler les valeurs de densité). Ce qui m’intéresse est la relation entre le logiciel et celui qui le manipule. Cependant, le but n’est pas non plus de créer un logiciel.

Ces différentes qualitées seront obtenu par le mélange de materiaux de base. Leur proportion au sein du mélange determinera les performances du mélange.

Domaine de Performance

Premier Testes: Ciment, Sable, Polystyrène

-La viscosité du mélange est importante bien qu’insuffisante pour réaliser un système d’impression 3D. La viscosité du mélange est croissante à mesure que l’on ajoute du poly-styrène. -Il n’y a pas de problèmes de mélange notable (pas de ségrégation. Le béton ne doit pas être vibré pour éviter que le polystyrène ne remonte. -Les échantillons restent cohérents : les échantillons obtenus ne sont pas friables -Pour une densité de béton égale à 2.2t/m3 et une densité de polystyrène de 0.0011t/m3. Les échantillons passent d’une densité de 2.2 à une densité de 1.1.

DeuxièmeTestes: Ciment, Sable, Polystyrène

-On a augmenté le volume de polystyrène dans le mélange pour voir la densité minimale que nous pouvions obtenir. -Nous pouvons augmenter le volume de polystyrène plus facilement quand il n’y a pas de sable. -La densité minimale que nous pouvons obtenir est de 0.27 avec 85 % de polystyrène, donc le domaine de densité est de 0.27 à 2.2.

Tête d’impression version 1

La première version de la tête prévoyait de réaliser un mélange en continu dans le but de ne pas être contraint par les temps de séchage. Il s’est avéré cependant que le système de mé-lange était inefficace : il y avait une trop grande différence de consistance entre les poudres et l’eau. Ainsi, l’eau sortait avant de s’être mélangé aux autres matériaux. Il y avait par ailleurs des problèmes de bouchage (la tête ayant été testée avec du plâtre pour éviter d’abimer l’outil : ce dernier pouvant être dissout avec du vinaigre).

Le système de commande des moteurs et électrovanne est réalisé par un microcontrôleur arduino. Il s’agit d’un microcontrôleur bon marché très répandue. La commande de ce microcon-trôleur est réalisée via Firefly (un plug-in de grasshopper).

Le système de dosage se faisait par compresseur d’air concernant les poudres de liant (plâtre ou ciment) et les grains allégeant (perlite ou polystyrène). Le dosage de l’eau quant à lui se faisait par le biais d’une pompe péristaltique.

Schéma de principe de la tête n°1

Tête d’extrusion

34.7

8

27.70

0.60

4.10

12.60

10.40

Schéma fonctionnement tête d’extrusion

-Le filtre cyclonique sépart l’air pressurisé de la poudre. -l’eau est ajouté au mélange à la fin du fil-tre cyclonique. -la vis mélange et pousse la mixture.

Impression de la tête en ABS

-Nous avons essayé d’imprimer les pièces sur une imprimante réalisé avec des plans open source. -De nombreux problèmes ayant été ren-contré concernant la partie electronique, nous avons du imprimer ces pièces sur une autre machine.

Photos de la tête d’impression ainsi que sa vis de mélange

Le système de contrôle électronnique (photo page suivante)

-Le microcontroleur arduino (au milieu) :Contrôle les deux autres cartes. est contrôlé via le plug-in firfly de grasshopper. -La carte relais (à gauche)Permet l’ouverture et la fermeture des électrovannes devant contrôler le débit de poudre par compression d’air. -La carte de contrôle des moteurs (à droite)Permet de contrôler des moteurs pas à pas. La vitesse de ces dernier est contrôler à l’aides d’une PWM envoyé depuis l’arduino. les condensateur situés au dessus de ces trois cartes ser-vent à lisser le signale pour qu’ils puissent être lut par la carte de contrôle des moteurs.Est montée sur une autre arduino qui elle est contrôlé vias le logiciel arduino (utilisant un langage de programation similaire à celuis de processing). Le programe réalisé sur le logiciel arduino permet d’interpreter les signaux PWM lisser envoyés depuis l’arduino du milieu (associer des vi-tesses particulières aux signaux).

La partie électronique marche parfaitement.

Systèmes de dosage par compresseur d’air

-Convoyage Dans ce type de systèmes, la granulométrie de la poudre déplacée est déterminante dans la réussite ou l’échec du convoyage. Il n’y avait aucuns problèmes avec le sable. En revanche, le plâtre coinçait un peu. L’instinct poussant à mélanger le sable avec le plâtre pour solutionner le problème ne fit qu’aggraver le problème. Les deux matériaux ayant une granulométrie d’échelle différente, ils créent un autre matériau bien plus compact que les deux précédents empêchant totalement le convoyage. -Dosage Le compresseur que je possédais servait à faire de l’aérographe. Il n’avait donc pas un débit assé important et ne pouvait donc pas offrir une pression élevée stable. Ainsi, il était impossible de réaliser un dosage précis. Des tests furent réalisés avec le compresseur de l’atelier bois de Malaquais. Cependant Ici, il s’agissait du contraire : le débit était bien trop important.

Cette méthode ne marchant pas, elle a été abandonnée lors de la réalisation de la seconde tête.

Eprouvette : contrôle du débit de plâtre et polystyrene

Arduino 5V Electrovalve G 220V

Gère l’ouverture et la fermeture des électrovalves

Contrôle electrovanne vias firfly (premier circuit)

Système de dosage par pompe peristaltique

Il s’agit d’un systèmes de pompe à vide par écrasement d’un tube souple

-Convoyage : Le matériaux constituant le tube : il est déterminant de posséder un tube en silicone, car cette matière s’écrase facilement. Des premier essay avait été réalisés avec un tube PVC. Cette dernière matière étant trop rigide, le couple du moteur s’était avéré insufissant. La largeur des roulements écrasant le tube : s’il n’écrasent pas la totalité du tube, de l’air peut passer et empècher le bon fonctionnement de la pompe. La distance entre le cylindre d’écrasement et les roulements : cette dernière est détermi-nante dans la réussite du convoyage. Si cette distance est trop faible l’air passe et don la pompe ne passe pas. Si elle est trop faible, le couple moteur necessaire est trop important. L’optimum devant être ajusté au dixième de milmimetre. -Dosage : Les problèmes de convoyage étant résolut, le moteur utilisé étant un moteur pas à pas, cette pome permet un dosage d’une grande précision.

Pompe peristaltique : contrôle du débit d’eau

Contrôle moteur pas à pas (premier circuit)

Courbe représentative du volume de débit d’eau (en dl) en fonction de la durée entre chaque pas du moteur (en microsecondes). Plus cette durée est importante plus le moteur est lent. Les moteurs que j’utilise font 400 pas par tour. Ainsi, 2000 = 75 tour/min

pompe peristamtiquevitesse 2000 1000 800 600 400 300 250débit g/min 27 58 70 89 128 165 207débit dl/min 0,27 0,58 0,7 0,89 1,28 1,65 2,07

dopseur a vis perlitevitesse 2000 1000 800 600 400 300 250débit g/min 2,3 4 5 7,5 10

doseur polystyrenevitess 2000 1000 800 600 400 300 250débit dL/min 0,2 0,33 0,39 0,55 0,85 1 1,25

y = 175,57x-0,901

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 500 1000 1500 2000 2500

Série1

Puissance (Série1)

Puissance (Série1)

y = 382,5x-0,948

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 500 1000 1500 2000 2500

Série1

Puissance (Série1)

y = 311,4x-1,101

0

500

1000

1500

2000

2500

0 0,5 1 1,5

Série1

Puissance (Série1)

Puissance (Série1)

y = 530,06x-1,051

0

500

1000

1500

2000

2500

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Série1

Puissance (Série1)

Tête d’impression version 2

Nous avons décidé de tirer parti des éléments fonctionnant bien. C’est à dire de la pompe péristaltique et nous avons gardés le système de contrôle numérique via arduino et firfly.

Le principe de fonctionnement de la tête a été revu : Un prémélange de ciment est réalisé. Ce dernier est convoyé dans une pompe péristaltique jusqu’à la vis de mélange. Les proportions de polystyrène ou perlite sont alors ajusté au mélange à l’aide d’un système de convoyage à vis. Le réservoir à polystyrène est sur la tête. Concernant le mélangeur, nous avons gardé la même vis que pour la tête précédente. Cependant, nous en avons également réalisé une autre plus petite dans le but d’obtenir des mé-langes plus homogènes. Le but de ces modifications était de solutionner les méthodes de dosage concernant le polystyrène et la perlite ainsi que la méthode de mélange du ciment et du polystyrène. La tête fut réalisée en bois découpé à la découpeuse laser.

Tête d’impression version 2

Doseur à vis

-La granulométrie : La granulométrie est déterminante dans le bon fonctionnement d’un système de convoyage de poudre par vis. En effet, Une poudre trop fine s’écoulera très mal, car il y a des phénomènes d’effet de voute, ce qui a pour effet de ne pas remplir la vis d’extraction et rend dont impossible la réalisation d’un dosage précis. Ainsi, une granulométrie semblable à celle des graviers (environ 2 mm de diamètre) à un écoulement suffisant pour les systèmes de doseur à vis que nous avons réalisé. -les vis de convoyage et de mélange : Elles ont été réalisées de la même manière en appliquant une torsion à des plats métalliques positionnés dans un tube. Ce dernier sert à reprendre le rétrécissement du plat engendré par la torsion. Ceci dans le but d’obtenir un pas régulier. Les vis obtenues sont des doubles élices. Ce qui ne pose aucun problèmes concernent le convoyage mais un peu plus concernant le mélange (Il pourrait y avoir des soucis d’homogénéités)

Cette technique permet un dosage de polystyrène très précis.

Testes de granulométrie (perlite en haut ; polystyrenne en bas). ces quatres images sont à la même échelle)

Photos du convoyeur à poudre

Courbe représentative du volume de débit de polystyrene (en dl) en fonction de la durée entre chaque pas du moteur (en microsecondes). Plus cette durée est importante plus le moteur est lent. Les moteurs que j’utilise font 400 pas par tour. Ainsi, 2000 = 75 tour/min

pompe peristamtiquevitesse 2000 1000 800 600 400 300 250débit g/min 27 58 70 89 128 165 207débit dl/min 0,27 0,58 0,7 0,89 1,28 1,65 2,07

dopseur a vis perlitevitesse 2000 1000 800 600 400 300 250débit g/min 2,3 4 5 7,5 10

doseur polystyrenevitess 2000 1000 800 600 400 300 250débit dL/min 0,2 0,33 0,39 0,55 0,85 1 1,25

y = 175,57x-0,901

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 500 1000 1500 2000 2500

Série1

Puissance (Série1)

Puissance (Série1)

y = 382,5x-0,948

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 500 1000 1500 2000 2500

Série1

Puissance (Série1)

y = 311,4x-1,101

0

500

1000

1500

2000

2500

0 0,5 1 1,5

Série1

Puissance (Série1)

Puissance (Série1)

y = 530,06x-1,051

0

500

1000

1500

2000

2500

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Série1

Puissance (Série1)

Le mélangeur de la tête n°2

Nous avons réalisé les premiers tests de mélange. Il n’y a pas de problèmes notables. Le polystyrène et le ciment se mélange bien. En revanche, le test ayant été réalisé avec la pompe péristaltique n°1, La viscosité du prémélange n’était pas très importante. En effet, étant donné la petitesse du tuyau nous ne pouvions faire passer des mélanges trop pâteux. Même si le mé-lange semble s’être correctement réalisé, il faudrait prévoir des tests de vérification en calculant le volume extrudé et le poids pour vérifier que les proportions sont les bonnes. Pour pallier au problème de viscosité nous avons travaillé à la réalisation d’une seconde pompe avec un tuyau de diamètre plus important. Des tests avec la pompe n°2 sont à prévoir pour valider le principe.

Cette pompe possède un démultiplicateur de couple par poulie crantée car l’augmentation de la taille du tuyau devrait nécessiter un couple moteur plus important.

Testes de mélanges en utilisant la pompe peristaltique n°1 et le doseur à vis

En haut : la nouvelle vis de mélange de forma plus petit que la précédente.

Au milieu à gauche et à droite: Teste avec la pompes n°1. Le volume extrudé est uniquement constitué de ciment En bas à gauche : test avec une pro-portion 1/3 de ciment, 2/3 de polystyrene

En bas à droite : test avec deux proportion de mélange. 1/3 ciment 2/3 polystyrene (partie droite) et 2/3 ciment 1/3 polystyrene (partie gauche). Sans avoir vérifier le volume et la masse pour véri-fier que les proportions soient juste, nous pouvons constater que les deux partie ont une viscosité différente du au rapport de proportion ciment/polystyrene.

Pompe péristaltique n°2 : convoyage de ciment

Nous avons fait des tests avec la pompe que nous avions déjà fabriqués qui se sont révélés concluant. En revanche, la petitesse du tuyau que nous utilisions (4mm de diamètre intérieur ne permettait pas de convoyer un mélange d’une grande viscosité. Nous avons donc travaillé à la réalisation d’une seconde pompe avec un tuyau de diamètre plus important. Cette pompe possède un démultiplicateur de couple par poulie crantée car l’augmentation de la taille du tuyau devrait nécessiter un couple moteur plus important.

Pompe peristaltique n°2 (convoyage du ciment)

Les tests à venir

La viscosité du mélange : Nous avons constaté que la viscosité du mélange était influencé par la proportion de poly-styrène (ceci est d’autant plus flagrant avec la perlite qui absorbe énormément d’eau) Il est donc nécessaire d’ajuster la viscosité du mélange en fin de parcourt. Des tests seront fait en utilisant la pompe péristaltique n°1 pour ajouter le l’eau en fonction du rapport ciment polystyrène.

Le temps de prise : Pour pouvoir réaliser des objets en trois dimensions il est nécessaire d’accélérer la prise. Nous pensons utilise un accélérateur au ciment prompt. Il nous faut donc réaliser un doseur à poudre avec un dévouteur (en cours de réalisation, mais sur la bonne voie). Des tests pour cal-culer la vitesse de prise en fonction du rapport ciment/ciment prompt sont à réaliser.

Création d’une interface servant à la réalisation d’objet à densité variable.

Pour utiliser toutes les capacités de cet outil il est nécessaire de concevoir une méthode de conception associé aux capacités de l’outil. Ceci dans le but de réaliser des formes construct-ibles et de maitriser la densité de l’objet produit point par point. La prochaine étape sera donc de créer un tel dispositif.

La complexité de l’outil implique des méthodes de conception très particulières, soit une assistance à la conception semblable à celle que l’on peut constater dans les logiciels en dével-oppement servant à réaliser des produits écologiques. En effet, ces derniers sont conçu pour réaliser des produits selon des méthodes d’écoconception essentiellement basée sur le respect des normes écologiques. Le nombre de ces normes induit une complexité rendant nécessaire la prise en compte de ces dernières dès le début de la conception du projet.

Illustration de la fusion des différents éléments de l’architecture engendrée par les systèmes d’impression 3D

Trois fonctions sont intriqués dans le même objet : structure, isolation et équilibre.la composition du mélange et sa position détermine sa fonction

Références bibliographiques

-Ecodesign methods focused on remanufacturing, Daniela C A Pigosso, Evelyn T. Zanette, Américo Filho, Aldo R. Ometto, Hen-rique Rozenfeld, 2009, Department of Production Engineering, Sa˜o Carlos Engineering School, University of Sa˜o Paulo, Brazil-GUENA François et LECORTOIS Caroline (dir.), Complexité des modèles de l’architecture numérique, cinquième Séminaire de Conception architectural Numérique (SCAN), PUN-édition universitaire de Lorraine, juin 2012.-CACHE Bernard, Terre meuble, HYX, 1997-TERZIDIS Kostas, Algorithmic Architecture, Oxford: architectural press, 2006-ELLUL Jacques, Le Bluff Techologique, Librairie Athème Fayard/Pluriel, (2010), première édition : Hachette 1988.-E. KNUTH Donald, Algorithmes, CSLI publication, 2011-MARIO Carpo (dir.), The digital turn in arcitecture 1992-2012, AD reader, 2013.