Réalisation d’un tampon en silicone

Logiciels utilisés : Inkscape, TinkerCAD et Cura
Machines utilisées : Sienci Mill One et Creality Ender 3
Temps de réalisation : ~60′-90′ selon la complexité.
Prix : <10.- par tampon

Résumé :

Réalisation d’un tampon. Le manche est créé sous TinkerCAD puis imprimé en PLA. Le moule est réalisé sous Inkscape et fraisé dans de la cire (ou du HDPE). Le tampon est réalisé en silicone sanitaire.

Avant propos.

Il existe de nombreuses techniques pour réaliser un tampon. Ce tutoriel vous propose d’expérimenter le moulage d’une pâte silicone dans un moule en cire. On aurait pu directement l’imprimer en 3D avec un filament flexible (voir cette expérimentation sur Youtube – mais le résultat est moins concluant) ou réaliser le moule en impression 3D (voir cette expérimentation sur Youtube – mais cela nécessite plus de connaissance en modelage 3D).

 

Étapes de « CAO » :

Remarques : Les étapes de CAO peuvent être réalisées dans un ordre différent, mais afin de rentabiliser le temps, nous commençons par la réalisation du manche car celui-ci peut être imprimé pendant la design du moule.

0 – Connexion sous TinkerCAD. Il n’est pas nécessaire de créer un compte sous TinkerCAD, puisque vous pouvez vous connecter avec votre compte EDUGE. Sélectionnez simplement la connexion via Google.

1 – Design du manche. Modélisez un manche d’environ 5cm de haut à base de cubes et de cylindres. Prévoyez une surface plate au sommet (il sera imprimé manche en bas) et des structures d’accroche en forme de T ou de cône inversé (de ~2mm de haut) sur la plateforme d’accueil du tampon. La structure d’accroche ne doit pas être trop volumineuse sans quoi l’impression sera difficile. Elle est optionnelle mais facilitera le démoulage du silicone et l’usage du tampon.

Pour gagner du temps, vous pouvez poursuivre vers les étapes de FAO pour imprimer le manche avant de revenir ici pour le design du tampon pendant l’impression.

2 – Design du tampon. Le design est réalisé sous Inkscape à partir d’un motif existant, d’une police de caractère ou encore directement dessiné avec des courbes de Bézier (Maj+F6). Ici seul le contour de l’objet est important. Vous pouvez vous inspirer du tutoriel sur la réalisation d’un vinyle monochrome (ici) ou celui de la réalisation d’un jouet en bois (ici) pour le détails des étapes. N’oubliez pas de sauvegarder régulièrement.

 

Exemple :

Modélisation du manche :

Pour cette étape, je réalise le manche sous TinkerCAD, car il est facile à prendre en main et parfait pour créer ce genre de volume simple.

Je commence par faire la forme générale à base d’un cylindre, d’un cône, d’une pyramide à base carrée et d’un cube que je redimensionne pour correspondre à ce que je souhaite (50mm de hauteur totale, et une base de 35x35mm pour le tampon). La pyramide me permettra d’imprimer sans support le manche « tête en bas ». Le cône me servira de surface d’accroche pour le tampon et sera pris dans la masse durant l’estampage.

J’utilise l’outil d’alignement pour aligner parfaitement les éléments sur l’axe central. J’utilise le cylindre comme élément central et m’en sert pour la mesure en Z (sa hauteur étant de 50mm, mon maximum). Après alignement du parallélépipède, de la pyramide et du cylindre, je les fusionne.

Pour terminer, je multiplie les cônes et je les positionne pour réaliser les surfaces d’accroche. Il n’est pas nécessaire de les aligner précisément, une simple distribution sur la surface est suffisante. Je veille toutefois à ce qu’ils soient assez grands pour être imprimés et dépassent d’environ 2mm de ma surface. Je termine en fusionnant le tout avant d’effectuer un export en STL de mon modèle.

Cette partie m’a pris environ 5 minutes.

 

Modélisation du tampon :

Je passe maintenant à Inkscape pour réaliser le motif du tampon. Inkscape a l’avantage de pouvoir assurer la phase de CAO et celle de FAO sans changer de logiciel.

Je commence par redéfinir mon document aux dimensions de mon tampon (soit 3x3cm).

Pour ce logo, je vais associer un texte à une forme géométrique (un simple carré). Je commence par mon texte en choisissant une police d’écriture qui me plaît. Il est recommandé d’utiliser une police de type « hollow » pour éviter les étapes d’adaptation suivantes. Je redimensionne et positionne mon texte et j’ajoute le carré qui me servira de cadre. Je m’assure de conserver une certaine marge par rapport au bord de mon document (le diamètre de la fraise utilisé est plus gros à sa base qu’à sa pointe).

Même s’il est possible de fraiser des surfaces plates, celles-ci nécessitent plusieurs étapes supplémentaires de FAO et un temps de fraisage bien plus long. Je vais donc me contenter d’utiliser les contours de mes objets. Premièrement je convertis tous les objets en chemin (Ctrl+Maj+C) et j’affiche uniquement les contours en utilisant la boite « Fonds et Contours » (Ctrl+Maj+F). Je choisi une épaisseur de contour à 1mm car cela devrait représenter assez bien la précision finale du tampon.

Deuxièmement, je vais modifier mes lettres pour obtenir quelque chose de plus lisible. Les lettres du mot « SEM » étant très régulières, je vais simplement les refaire avec des courbes de Bézier (Maj+F6) (puis supprimer le texte d’origine) pour ne conserver qu’un seul trait. Quant aux lettres du mot « Lab », plus design, je vais utiliser l’outil de modification de noeud (F2) pour déplacer quelques traits et améliorer la lisibilité (après avoir dégroupé les lettres pour faciliter les manipulations). Il est à noter que je pourrais utiliser d’autres options, comme le décalage dynamique suivi d’une nouvelle conversion en chemin. Je n’oublie pas de sauvegarder mon travail.

Mon design est maintenant terminé. Cela m’aura pris un peu plus de 5 minutes, mais selon le design, ce temps peut être bien plus long.

Étapes de « FAO » :

1 – Préparation du gcode pour le manche. Après avoir téléchargé votre fichier 3D (STL) depuis TinkerCAD (bouton « Exporter »), ouvrez-le sous Cura et positionnez-le pour que le manche soit dirigé vers le bas (les structures d’accroche étant en haut). Sélectionnez la machine “Creality Ender 3” avec une buse de 0,8mm. Dans les réglages simplifiés, choisissez le réglage “Draft quality” (hauteur de couche à 0,32mm et remplissage à 20%). Réalisez le tranchage puis enregistrez le fichier g-code.

2 – Impression du manche. Transférez le fichier g-code sur la carte mémoire puis lancez l’impression sur l’imprimante « Creality Ender 3 ».

3 – Préparation du fraisage du tampon. Le fraisage du tampon se déroulera en 2 étapes. La première consiste à fraiser une cavité de 3mm de profondeur avec une fraise de 3mm de diamètre, et la seconde à fraiser le motif avec une fraise conique ou à bout arrondi.

Après avoir ajouté les points d’orientation et l’outil cylindrique (de 3mm de diamètre) sur un nouveau calque (comme cela est détaillé dans le tutoriel sur la réalisation d’un circuit imprimé – ici ), créez un chemin autour de votre zone (le plus simple étant de faire un rectangle de dimensions égales au document puis de le convertir en chemin). Positionnez ce chemin sur un autre calque que le motif du tampon. Cachez le calque du motif et ne conservez visible que le chemin nouvellement créé et les marqueurs de gcodetools (points d’orientation et outil). Réglez la profondeur sur -3mm (coordonnée Z du second point d’orientation), le diamètre de l’outil à 3mm (ou autre si la fraise utilisée est différente) tout comme le « depth step ». Paramétrez le « Feed » à 1000 et le « Penetration feed » à 200. Sélectionnez le chemin et lancez le menu « Zone… » de l’extension Gcodetools. Il faut alors sélectionner l’onglet « Zone de remplissage » après avoir correctement paramétré tous les autres onglets. Cela crée un fichier g-code permettant de créer une cavité de dimensions égales à la zone. Après avoir vérifié l’exactitude du fichier g-code (par exemple avec CAMotics), annulez la dernière opération (Ctrl+Z).

Supprimez (ou cachez) le chemin précédemment créé puis affichez le motif. Modifiez la valeur Z de la seconde coordonnée des points d’orientation. Deux choix s’offre à vous, soit -5 soit -2. En effet, comme il faudra forcément remettre à zéro la fraiseuse après le changement manuel de fraise, les 2 possibilités sont valides. Modifiez également le « depth step » de l’outil en conséquence (et le « Feed » peut être poussé à 1200). Sélectionnez tous les tracés du motifs et lancez la routine « Chemin vers g-code… » de Gcodetools. Après avoir exécuté la routine, vérifiez le fichier g-code créé (avec CAMotics) puis annulez la dernière opération sous Inkscape (Ctrl+Z).

Transférez les 2 fichiers g-code sur une clé USB.

4 – Fraisage de la cavité du moule.

Remarques préliminaires :

Les fraiseuses numériques du SEM Lab, dont la « Mill One » ici utilisée, sont composées de 3 éléments ayant chacun leur alimentation et leurs boutons : Le Raspberry Pi disposant d’un écran tactile et d’un clavier ; Le système motorisé de déplacement de la fraiseuse, que nous nommerons « CNC » par la suite ; Une affleureuse montée sur une fixation, faisant tournée les fraises et que nous nommerons « fraiseuse ».

Il est important de bien fixer la plaque de cire (ou de HDPE) sur le plateau de la CNC, car celle-ci ne doit pas bouger pendant le fraisage.

Les fraiseuses sont des outils pouvant occasionner des blessures en cas de mauvaise utilisation. Seuls les enseignants sont autorisés à démarrer les fraiseuses, en aucun cas les élèves.

Après avoir démarré bCNC sur le Raspberry Pi pilotant la CNC (pour plus de détails consultez le tutoriel sur la réalisation d’un circuit imprimé – ici ), montez la fraise 1 dent de 3mm à bout plat et réglez la position zéro de travail. Démarrez la fraiseuse sur la vitesse minimale (positon 1 – 10’000 rpm) et lancez le g-code. Une fois la cavité fraisée, éteignez la fraiseuse.

5 – Fraisage de la gravure du tampon. Remplacez la fraise plate de 3mm par la fraise de 2mm à bout rond ou la fraise conique à graver. Réglez la coordonnée Z (sans réinitialiser les coordonnées X-Y) à zéro (soit sur le haut de la cavité si vous aviez réglé la profondeur à 5mm, soit sur le bas de celle-ci en cas de réglage à 2mm de profondeur). Chargez le fichiez g-code, démarrez la fraiseuse et exécutez le g-code.

Éteignez la machine, libérez la plaque de cire et nettoyez la machine. Avec un scalpel ou un cure-dent, nettoyez les bordures du fraisage sur la plaque de cire pour obtenir un moule sans résidu de fraisage.

6 – Estampage du silicone. Préparez un bol d’eau savonneuse (avec suffisamment de liquide vaisselle). Munissez-vous de gants jetables (nitrile ou latex) et extrudez un peu de silicone dans l’eau savonneuse. Malaxez jusqu’à obtenir la consistance d’une pâte à modeler. Estampez le silicone dans le moule en l’écrasant bien dans les creux du motif. Posez le manche imprimé par dessus le silicone encore frais puis laissez durcir quelques heures. Après séchage, vous pouvez démouler délicatement et retirer le silicone excédentaire avec un cutter.

Si les gravures sont très fines, il faudra peut-être appliquer le silicone directement dans le moule avec un pinceau (qui sera sacrifié), plutôt que d’en faire une pâte à modeler. Il est aussi possible d’utiliser du silicone 2 composants pour moulage (RTV) ou une résine polyuréthane souple, qu’on coulera dans le moule. C’est plus précis (à condition de faire remonter les bulles) mais bien plus onéreux.

 

Exemple :

Impression du manche.

Pour cette partie, rien de plus facile car j’utilise les réglages de base de Cura pour la Ender 3. Je vérifie simplement la position de mon modèle (le haut du manche en bas) et la buse de 0,8mm de la Ender 3. Avec les réglages de base « Draft quality », j’en ai pour 40 minutes d’impression. Il est possible d’optimiser les réglages pour descendre à 30 minutes environ, sans perte de qualité. Avant d’enregistrer le fichier g-code, je vérifie que tout se passe bien en simulation grâce à l’aperçu disponible sous Cura.

Je transfère le fichier G-code sur la carte SD de l’imprimante, que j’insère dans la machine avant de l’allumer. Je charge mon filament et je lance l’impression. Après celle-ci, je retire la pièce imprimée et j’éteins la machine.

Temps total de cette partie : environ 5 minutes de manipulation et 40 minutes d’impression. La pièce n’est pas parfaite (en raison de la vitesse d’impression élevée et l’absence de « support »), mais tout à fait fonctionnelle.

 

Préparation du fraisage du moule :

A la suite de mon design sous Inkscape (voir précédemment), je passe maintenant à la préparation de la gravure (toujours sous Inkscape). Je commence par ajouter un nouveau calque sur lequel je place mes points d’orientation (menu Extensions puis Gcodetools – Points d’orientation) avec une profondeur de -2mm. J’ajoute ensuite un outil conique (menu Extensions puis Gcodetools – Bibliothèque d’outils) avec les paramètres Feed=1200, Penetration feed = 200 et Depth step = 2 (les autres paramètres n’ayant pas d’importance dans notre cas). Après avoir sauvegardé mon fichier, je sélectionne les tracés de mon motif et je lance la commande « Chemin vers g-code » de Gcodetools (voir le tutoriel sur la réalisation d’un circuit imprimé – ici, pour le détail des réglages). Je vérifie le G-code généré sous CAMotics (voir illustration), puis j’annule la dernière opération sous Inkscape (Ctrl+Z) afin d’éviter d’alourdir inutilement le fichier SVG.

 

En guise d’exercice d’apprentissage du G-code, j’ai réalisé le G-code de la cavité sous un éditeur de texte (comme Kate) plutôt que sous Inkscape comme suggéré. En effet, il y a très peu d’instructions (voir ce lien pour les principales commandes) et c’est un bon exercice d’algorithmique (avec plusieurs cheminements réalisables : en spirale ou linéaire). Afin de simplifier mes calculs de coordonnées, je pourrais schématiser mon tracé sur du papier quadrillé, où chaque ligne représente un multiple de 2,5mm. Je vais également ignorer l’épaisseur de la fraise pour les coordonnées du périmètre (mon manche faisant 35mm de côté, il couvrira quand même les 33mm de côté de la cavité). Le fichier commence par les instructions G21 et G90, suivies de l’instruction M3 (qui est inutile sur la machine utilisée ici). Par sécurité, mes instructions suivantes seront un déplacement aux coordonnées d’origine (on lève la fraise, puis on se déplace latéralement) : G0 Z2 puis G0 X0 Y0. On pénètre la cire lentement à 3mm de profondeur : G1 Z-3 F200 puis on se déplace latéralement à haute vitesse : G1 X30 F1000. Pour un cheminement en spirale, l’instruction suivante serait G1 Y30, alors que pour un cheminement « linéaire » (comme celui généré par Gcodetools) ce serait G1 Y2.5. Et ainsi de suite jusqu’à avoir couvert toute ma surface selon le schéma que j’ai dessiné sur le papier quadrillé. Mes dernières instructions étant G0 Z20, M5 (inutile sur cette machine), G0 X0 Y0 et M2. J’enregistre finalement le fichier avec une extension .nc (ou .ngc) et je le teste sous CAMotics.

Si la création du g-code de façon manuelle est bien plus longue qu’avec un logiciel CAM approprié, elle est toutefois un bon moyen de comprendre ce que fait la machine. De plus, le fichier ici créé est plus optimisé que celui généré par Gcodetools (ce qui représente un gain de temps s’il est utilisé plusieurs fois). Il m’aura fallu 5 minutes pour le taper (voir le fichier avec les commentaires), sans recourir à un schéma préalable. Comptez 10-15 minutes selon votre connaissance du g-code et la taille de la surface.

Je transferts les deux fichiers g-code sur ma clé USB.

Toute cette partie m’aura pris une quinzaine de minutes (à ajouter aux 5′ du design), entièrement réalisée pendant l’impression du manche.

 

Fraisage du moule :

Je démarre le Raspberry Pi et commence l’installation de la fraise de 3mm (1 dent à bout plat) et de la plaque de cire préalablement préparée. Je règle la fraiseuse sur la position 1 (10’000 rpm), je la mets en marche pour vérifier que tout va bien, puis je l’arrête. Je lance bCNC et je connecte la CNC au logiciel. A l’aide du clavier, je place la fraise à la surface de la plaque de cire et à l’emplacement prévu pour la gravure. Je termine en déplaçant les axes manuellement pour une précision optimale. Sous bCNC, je remets à zéro les coordonnées XYZ de travail à l’aide du bouton adéquat. Je charge le fichier de la cavité (depuis la clé USB), je démarre la fraiseuse puis j’exécute le fichier.

Une fois la cavité terminée, j’éteins la fraiseuse et je change la fraise (pour la 2mm à bout rond). Je déplace ensuite la fraiseuse à l’aide des touches du clavier pour placer la fraise au fond de la cavité. Je termine manuellement en bougeant l’axe Z avant de remettre à zéro cette coordonnée sous le logiciel (sans toucher aux valeurs X et Y). Je remonte la fraise de 2mm à l’aide du clavier. Je charge le fichier de la gravure puis je démarre la fraiseuse et lance le programme. Lorsque le fraisage est terminé, j’arrête la fraiseuse puis démonte la plaque de cire. J’arrête la machine avant d’effectuer un rapide nettoyage de cette dernière.

Comme dernière étape, je nettoie le moule de cire en enlevant les copeaux avec un bâtonnet en bois (cure-dent).

Le tout m’a pris une quinzaine de minutes environ (l’imprimante est alors en train de finir l’impression du manche, que je récupère une fois terminé).

La photo d’illustration représente les tampons réalisés par des élèves, après nettoyage.

 

Estampage :

Dans un grand bécher de 500ml, je verse de l’eau (environ 300ml) et j’y ajoute 2-3 giclées de liquide vaisselle. Je mélange délicatement (pour éviter de faire des bulles) avec ma main gantée. Je dépose du silicone sanitaire dans l’eau savonneuse, que je viens malaxer avec ma main (gantée) pendant environ 1 minute. La quantité est légèrement supérieure à la cavité dans le moule. Une fois le silicone formant une boule similaire à de la pâte à modeler, je le sors de l’eau et l’estampe dans le moule en pressant fortement (il me faut alors remettre le silicone dans le moule après avoir pressé). Je prends le manche imprimé (avec mon autre main) et je viens presser le silicone (qui déborde légèrement) sur le moule. Je laisse le silicone se solidifier pendant plusieurs heures.

La photo d’illustration représente les tampons réalisés par des élèves, en cours de séchage.

Après au moins trois heures (mieux vaut 24h), je teste la solidité du silicone (grâce à la partie ayant débordé) et je le démoule délicatement (en tirant notamment sur la partie ayant débordé et en m’aidant du cure-dent). Je prends garde à ne pas tirer uniquement sur le manche pour ne pas casser les surfaces d’accroche ou désolidariser le silicone du manche (il serait pratiquement impossible à remettre par la suite). Je supprime l’excédant de silicone avec un cutter.

Le tampon est terminé et peut être utilisé comme un tampon traditionnel.

 

 

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