Création d’une lanterne en carton

Logiciels utilisés : Onshape et Inkscape
Machine utilisée : Silhouette Cameo 3
Temps de réalisation : ~45-120′ selon le design
Prix : <1.- par lanterne

Résumé :

Réalisation d’une lanterne en carton par pliage d’après une modélisation 3D, développée en 2D.

Avant propos.

Il existe plusieurs techniques permettant d’obtenir le même résultat. Différents logiciels réalisent automatiquement le développement, avec plus ou moins de succès (Pepakura, Slicer for Fusion 360, etc.). Par exemple, il est possible de modéliser rapidement la forme en 3D sous TinkerCAD puis d’utiliser la fonction automatique « unfold » de Slicer for Fusion 360 (gratuit mais limité à Mac/Windows). L’objectif ici est d’apprendre à utiliser un logiciel de modélisation paramétrique (Onshape) en utilisant des volumes par pseudo-révolution, puis d’effectuer un développement manuel tout en profitant de la visualisation 2D/3D pour apprendre à se repérer entre les 2 visualisations. L’ajout manuel des languettes de collage permet également l’apprentissage de la représentation spatial à partir de plans 2D.

 

Étapes de « CAO » :

Remarques : Ce tutoriel ne détaillera pas la conception d’un design en particulier ni l’usage du logiciel Onshape (celui-ci disposant d’un centre de formation très complet en anglais), mais se focalisera sur les étapes importantes dans la mise en place des techniques pour la réalisation de ce pliage.

0 – Création d’un compte sous Onshape. Onshape est un logiciel professionnel de CAO paramétrique « en ligne ». Il est toutefois gratuit pour les écoles en s’enregistrant ici. Parmi ses avantages, il dispose des fonctionnalités de travail en équipe, permettant de visualiser ou d’éditer les designs à plusieurs. Avant d’ouvrir votre premier projet, modifiez les unités par défaut dans votre profile.

1 – Création de la silhouette sous Onshape. Créez un « Sketch » (croquis) sur le plan frontal pour dessiner la silhouette de la lanterne, entre l’axe de rotation et les arrêtes (c’est-à-dire une demi-section). La seule contrainte est de ne pas utiliser de courbes, sinon il sera impossible d’exploiter l’option « Sheet Metal Part » par la suite. Utilisez l’axe d’intersection des plans par défaut comme axe de rotation de votre modèle, afin de faciliter sa construction. Vous pouvez utiliser des contraintes (notamment de dimensions) ou non.

2 – Création du premier volume. En utilisant l’option « Feature pattern » de l’outil « Circular pattern« , réalisez une copie du sketch (Instance count = 2), tournée d’un angle correspondant au nombre de sections souhaitées (par exemple 45° pour 8 répétitions). Puis à l’aide de l’outil « Loft« , créez le volume de la section (entre les 2 sketches). Pour obtenir un volume de révolution arrondi, il n’est pas nécessaire de copier le sketch, mais dans ce cas il ne sera pas possible de déplier le modèle.

3 – Création du volume entier. Avec l’outil « Circular Pattern« , réglé sur l’option « Add« , créez le volume complet en répétant la section initiale. Il faut sélectionnez le bon nombre d’instance et le bon angle. En procédant ainsi en 2 étapes, le volume présentera des faces externes plates, qui pourront être utilisées pour le développement. Assurez-vous d’obtenir une seule pièce (« Part ») avant de procéder à l’étape suivante.

4 – Développement. L’outil « Sheet Metal Model » permet de déplier le volume et de sélectionner les arrêtes qui devront être pliées. Réglez les paramètres « thickness » et « bend radius » à 0,1mm et 0,01mm respectivement, pour évitez des erreurs (l’outil étant initialement conçu pour des plaques de métal d’une certaine épaisseur). Le résultat peut être visualisé dans la fenêtre à droite (activée par le bouton « sheet metal table and flat view« ). Il faut être patient lors de la sélection des arrêtes à plier, car il y a un temps de réponse parfois important entre l’ordinateur et le serveur. Si vous allez trop vite, il devient difficile d’identifier l’arrête ayant généré une erreur. Parfois, il n’est pas possible de plier à un certain endroit sans raison apparente, il faut alors rusé un peu. L’avantage d’utiliser cet outil, c’est qu’il est possible de choisir les arrêtes à plier et d’effectuer des découpes en plusieurs pièces. Les logiciels tiers réalisant ce genre d’opérations laissent rarement le choix et les logiciels gratuits souffrent souvent d’un problème d’optimisation de l’espace.

5 – Export d’Onshape et Import sous Inkscape. A partir de la visualisation du plan (fenêtre « sheet metal table and flat view »), effectuez un clic droit sur celui-ci pour l’exporter en DXF (révision 13 ou 14 selon la version d’Inkscape). Le fichier exporté peut être importé sous Inkscape. En cas de problème d’unités, il suffit de modifier les paramètres d’échelle durant l’importation.

6 – Création du détourage et des languettes pour le collage. Créez une forme simple que vous copiez/collez, pour repérer la position des languettes de collage. Il aurait été possible de les ajouter sous Onshape, mais cela est plus fastidieux que de le faire sous Inkscape. Sur un nouveau calque (Ctrl+Maj+N), avec l’outil  « tracer des courbes de Bézier » (Maj+F6) et avec l’aide du magnétisme, retracez le contour de découpe en créant au passage les languettes de collage (précédemment repérées). Le fait de recréer en un seul tracé le contour de la découpe va permettre de gagner du temps lors de la FAO. En effet, le fichier DXF contient de très nombreux segments (dont certains sont inutiles) qui ne sont pas liés entre eux, ce qui augmente le nombre de déplacement lors de la découpe et donc le temps de fabrication. Il serait possible de modifier les segments existants, mais cela est bien plus long que de recréer un nouveau tracé en utilisant le précédent et le magnétisme.

7 – Création des arrêtes de pliages. Sur le même calque que le détourage, ajoutez des segments avec l’outil « tracer des courbes de Bézier » (Maj+F6). Réglez leur contour pour qu’il soit en traitillés grâce à la boîte « Fond et contour » (Ctrl+Maj+F) (sous « Pointillés » de l’onglet « Contour »). Cette opération permettra de marquer les plis avec la machine, ce qui facilitera l’assemblage final. Elle n’est en théorie pas nécessaire puisque le papier peut être facilement plié à la main. Il est important de ne pas trop trouer le papier, il faut donc sélectionner un traitillé avec un espacement important. Il ne faut pas hésiter à cacher le calque contenant l’import d’origine pour faciliter la visualisation. Sauvegardez le fichier.

8 – Dimensions finales. Supprimez (ou cachez) le calque contenant l’import d’origine pour ne conserver que celui contenant les nouveaux tracés. Réglez les dimensions du document (Ctrl+Maj+D) selon le matériel à disposition. Repositionnez et redimensionnez les tracés avec l’outil de Sélection générale (F1) après les avoir groupés (Ctrl+A puis Ctrl+G). Sauvegarder le fichier.

9 – Ajours et décorations (optionnel). Ajoutez des motifs pour les ajours afin de laisser passer la lumière. Gardez toujours une épaisseur de papier suffisant pour supporter l’ensemble de la structure et pouvoir coller les languettes. Vous pouvez également intégrer un système d’ouverture (porte) et de fermeture (avec une languette et une découpe) pour pouvoir insérer une imitation de bougie (à LED). Alternativement, vous pouvez ajouter sur un nouveau calque (Ctrl+Maj+N) des formes à dessiner plutôt qu’à découper. Lors de la FAO, vous pourrez commencez par dessiner au feutre ces éléments avant d’effectuer la découpe du reste de la lanterne.

 

Exemple :

Il est possible de réaliser de très belles lanternes de style marocain à suspendre mais pour cette exemple je ferai une lanterne à fond plat.

Après avoir créé un nouveau document sous Onshape, je sélectionne le plan frontal et je clic sur le bouton « Sketch« .  J’aligne la vue de façon frontale et je commence par tracer ma demi-silhouette (avec l’outil des segments) en commençant par le point central et l’axe central de symétrie. Je ne me soucie pas des dimensions, juste de l’esthétique générale. En cas de mauvais positionnement, je peux modifier les points en les glissant après les avoir sélectionnés, voir les contraindre avec les outils adéquats. Je prend bien garde à ne créer aucune courbe, car cela rendrait la procédure finale impossible. De même, je m’assure de ne pas mettre de traits parfaitement horizontaux dans les niveaux intermédiaires, afin d’éviter la création de disques lors des étape suivantes, rendant l’étape finale plus compliquée. J’ai quand même positionné de façon horizontal le segment à la base de la forme. Une fois satisfait, je valide mon « Sketch » (le « vu » dans la boîte Sketch). Je pourrai toujours y revenir ultérieurement pour faire des modification en double cliquant sur son nom (« Sketch 1« ) dans le menu des étapes (à gauche).

Je sélectionne l’outil « Circular pattern » en mode « Feature pattern » et je l’applique à mon « Sketch 1 » (sous « Features to pattern« ) en sélectionnant un angle de 45° (soit 360° / 8) et la bonne arrête de rotation (sous « Axis of pattern« ). Je règle également le nombre de copie (« Instance count« ) à 2 puis je valide. Me voilà maintenant avec les deux faces externes de mon huitième de lanterne.

L’étape suivante consiste à créer le volume à l’aide de l’outil « Loft« . Ce dernier permet de créer les arrêtes nécessaires entre les deux surfaces pour constituer un volume. La plupart du temps, la reconnaissance des points à apparier est bonne, mais il faut parfois en spécifier certains (en particulier avec les courbes). L’outil « Loft » est très puissant, mais pas toujours évident à maîtriser. Ici les deux faces étant des copies parfaites, il n’y a aucun problème. Après validation, me voilà maintenant avec une pièce (« Part 1« ), autrement dit, un volume.

En appliquant un « Circular pattern » (en mode « Part pattern« ) sur cette pièce (« Part 1« ), je vais compléter la forme. Je sélectionne l’axe de rotation (sous « Axis of pattern« ), la pièce à multiplier (sous « Entities to pattern« ), je règle l’angle (à 360°) et la multiplication (« Instance count« ) en fonction de ce que j’avais prévu (des huitièmes dans ce cas). Afin de n’obtenir qu’un seul volume et non 8 pièces accolées, je sélectionne l’onglet « Add » et je coche « Merge with all » (pas encore coché sur l’illustration). Je valide et vérifier que je n’ai toujours qu’une seule pièce (« Part 1« ) dans la boîte située en bas à gauche.

Toutes ces premières étapes sont assez rapides à réaliser, pour autant qu’on ne tâtonne pas trop à déterminer la forme souhaitée. Ici, j’en ai eu pour 5 minutes.

Je passe maintenant à la dernière étape sous Onshape, la plus longue. Je sélectionne l’outil « Sheet Metal Model« . Après avoir sélectionné ma pièce (« Part 1« ) dans le mode « Convert » et réglé l’épaisseur à 0,1mm (« Thickness« ) et le « Bend radius » à 0,01mm, je clic dans la sélection des arrêtes à plier (« Edges or cylinders to bend« ). Afin de voir en direct le résultat, j’ouvre la fenêtre « Sheet metal table and flat view » avec le bouton situé à droite. Il faut maintenant procéder lentement pour identifier les éventuelles erreurs. Je sélectionne une première arrête, puis une autre, et ainsi de suite en laissant le programme afficher le résultat entre les étapes. Il est parfois capricieux et je ne peux pas plier toujours où je veux (il s’agit généralement de conflits dans les autres réglages, mais les maîtriser tous est assez compliqué). Heureusement il existe plusieurs façon de plier cette structure, avec plus ou moins d’optimisation de la surface. En cas d’erreur, il ferme automatiquement la vue à plat et affiche l’outil en rouge. Il faut alors annuler la dernière opération et choisir une autre façon de plier le modèle. S’il est impossible de plier à certain endroit avec le logiciel (mais que cela est théoriquement possible), deux choix sont alors possible, soit on laisse le modèle en plusieurs pièces et on réassemblera les deux sous Inksape à l’étape suivante, soit on choisi le mode « Extrude » ou le mode « Thicken », qui ont d’autres désavantages mais permettent parfois de passer au-dessus de certaines limitations. Je n’hésite pas à valider avant la fin de mon développement afin d’éviter de perdre ma progression suite à un plantage du navigateur (la sauvegarde n’est effectuée qu’après la validation d’une étape). Je double-clic sur l’étape (« Sheet Metal Model 1« ) pour la rouvrir et poursuivre ainsi mon travail.

Cette étape est relativement longue selon la complexité du modèle et, il m’aura fallu ici environ 10 minutes. Pour terminer, j’exporte le plan par un clic droit sur le développement (dans la « Flat view ») en sélectionnant « Export to DXF/DWG« . J’effectue un export au format DXF révision 14 (puisqu’il est compatible avec ma version 0.92.5 d’Inkscape), en utilisant les [mm] comme unité.

J’ouvre maintenant Inskcape et j’importe (Ctrl+I) mon fichier DXF. Selon le résultat, il peut être nécessaire de recommencer l’import (après avoir annulé par un Ctrl+Z) en modifiant l’échelle (en cochant Manual Scale et en modifiant le facteur). Il est aussi possible d’effectuer un redimensionnement avec l’outil de sélection générale (F1) voir une rotation pour s’adapter au document. Les dimensions exactes et la position du modèle ne sont pour le moment pas importantes, mais il est quand même plus pratique de procéder directement à la bonne échelle et correctement positionné.

Je crée un rond pour marquer la position d’une languette, que je copie-colle pour repérer toutes les autres. Cette étape peut prendre du temps, en particulier si vous avez du mal à vous repérer. Pour vous aider, vous pouvez regarder le modèle sous Onshape. En effet, lorsqu’on survole une arrête ou une face avec la souris dans la vue 3D, elle est également mise en évidence dans la vue 2D (et réciproquement).

Je crée maintenant un nouveau calque (Ctrl+Maj+N) et je m’assure que le magnétisme est activé. Je sélectionne l’outil pour tracer des courbes de Bézier (Maj+F4) et je commence à retracer le contour de découpe en intégrant les languettes que j’ai précédemment repéré. Le chemin est réalisé en une seule étape (mais peut être faite en plusieurs). Je lui attribue une couleur rouge pour bien le repérer (et vérifier l’absence d’erreur) avec la boite « Fond et contour » (Ctrl+Maj+F). Les languettes ne sont pas très régulières, mais ce n’est pas grave, leur tracé sera modifié au besoin après l’ajout des ajours, pour éviter qu’elles ne soient visibles.

Je passe ensuite à la création des plis. Il faudra cette fois plusieurs étapes, mais je n’hésite pas à regrouper plusieurs segments ensemble pour gagner du temps lors de la FAO. Dès que le premier tracé est terminé, j’édite le contour pour lui attribuer la couleur bleu, mais surtout un style traitillé. Je copie alors l’objet (Ctrl+C), mais sans le coller. Pour les suivants, il me suffira de coller le style (Ctrl+Maj+V) pour éviter de devoir leur réattribuer ces paramètres. Cette étape est plus longue que la précédente mais grâce au magnétisme elle va relativement vite.

Une fois le tracé initial terminé, je cache le calque contenant l’import DXF (et les cercles) et je sauvegarde mon fichier. Il m’aura fallu moins de 10 minutes pour arriver jusque là. Je pourrai prévoir de modifier certains plis pour intégrer une « porte » dans ma lanterne, mais ne prévoyant pas d’y insérer une source lumineuse, je m’économise ce travail.

Je crée un nouveau calque (Ctrl+Maj+N) sur lequel j’écris mon prénom avec l’outil « Texte » (F8). Je choisi une police de type « Stencil » (voir sur le site DaFont) pour me faciliter le travail d’intégration. Avec l’outil de sélection générale (F1), je déforme les lettres pour qu’elles correspondent à l’espace disponible. Puis je converti le texte en chemin (Ctrl+Maj+C), j’affiche le contour et supprime le fond (Ctrl+Maj+F) et pour finir, je dégroupe (Ctrl+Maj+G) l’objet afin d’obtenir des lettres séparées. J’effectue les rotations et les déplacements nécessaires (avec la sélection générale – F1) pour positionner les lettres au bon endroit. Je n’hésite pas à modifier le point de rotation (la petite croix) et à activer ou désactiver le magnétisme, pour faciliter l’alignement des lettres avec les surfaces. Je m’assure de garder une certaine marge entre les ajours et les plis pour que la structure soit suffisamment solide. Je vérifie la taille de mes languettes pour qu’elles ne soient pas visibles à travers les ajours, en retouchant les points (F2) au besoin.

Après une sauvegarde, je peux maintenant m’assurer des bonnes dimensions. J’ouvre les propriétés du document (Ctrl+Maj+D) et je règle les dimensions (A4 dans ce cas). Je sélectionne ensuite tous mes objets visibles par un rectangle de sélection, afin de les déplacer/redimensionner ensemble. Je maintiens les touches Ctrl (proportionnalité) et Maj (centré) durant les redimensionnements pour conserver les proportions. J’effectue au besoin quelques retouches sur les languettes puis je sauvegarde à nouveau mon fichier, désormais terminé.

Pour résumé le temps de CAO, j’ai passé un peu moins de 20 minutes sous Onshape et de même sous Inkscape. Évidement ces temps sont très élastiques en fonction du design et des éventuels problèmes rencontrés sous Onshape.

 

Étapes de « FAO » :

0 – Préparation du matériel. Découpez une feuille de papier cartonné (200 ou 300 g/m²) aux dimensions adéquates et positionnez-la sur la feuille de transport. Insérez le tout dans la machine à l’aide du bouton « Charger » (sur l’écran tactile, après voir mis la machine sous tension). Réglez la lame en position 3-5 (voir plus selon l’épaisseur du papier) et installez-la dans le chariot. Pour réglez la position de la lame, pliez un échantillon en 2 et coupez en pressant la lame et effectuez un déplacement latéral. Une lame bien réglée doit couper une épaisseur du matériau et marquer la deuxième mais sans la traverser. Pour les matériaux très épais, il faudra prévoir une découpe en plusieurs répétition, plutôt qu’en sortant une lame trop profondément.

1 – Découpe. Sélectionnez les tracés avec un rectangle de sélection et lancez le plugin « Send to Silhouette » (Menu Extensions -> Exporter). Effectuez les réglages adéquats (le bon emplacement, mode « cut », le bon « média »,  l’option « Convert to dashes » cochée et peut-être une répétition de chaque découpe à 2) puis cliquez sur « Appliquer« . Avant de décharger le matériau, vérifiez la découpe. Si celle-ci est insuffisante, relancez une nouvelle découpe (si vous effectuez une nouvelle copie par la suite, augmenter le nombre de répétition dans l’onglet « Options »). En effet, la précision de la machine est suffisante pour repasser sur les traits précédents, mais si vous déchargez le matériau, il sera impossible de le réinsérer parfaitement au même endroit. Déchargez le matériau de la machine et de la feuille de transport.

2 – Plier/Coller. Marquez les plis (partiellement découpés) et vérifiez que le modèle est correct. Ajoutez de la colle blanche sur les languettes et pliez le modèle. Selon le modèle, il est nécessaire de procéder au collage par étape, en attendant un séchage complet avant de continuer.

 

Exemple :

Ces étapes étant déjà détaillées dans d’autres tutoriels (comme celui-ci), je n’ajouterai ici que les particularités de la découpe de ce projet.

La découpe s’effectuant sur une feuille de papier bristol de 200g/m2, je règle ma lame sur la position 3 (4 si elle était usée). Je place mon papier sur un tapis de transport à faible adhérence (soit un ancien tapis classique, soit un neuf mais prévu pour cela). Je n’oublie pas de cocher l’option « Convert to dashes » dans les options du plugin de découpe sinon les traitillés seront entièrement coupés. En cas de difficulté, il faudra sélectionner les traits par type (d’abord les traitillés, ensuite les ajours puis la découpe) puis lancer les découpes séquentiellement sans décharger la machine.

La découpe est assez rapide et aura duré 4 minutes et s’est réalisée en une seule étape.

Après avoir retiré délicatement le papier du tapis de transport, je marque les plis. A la place d’utiliser une fausse bougie en LED, je vais créer une illusion de flamme en chiffonnant une chute de papier métallisé doré, collée sur un bouchon en liège (ajusté aux bonnes dimensions avec un cutter). Je fixe ma « flamme » sur le fond avec de la colle. Une fois sec, je monte la lanterne après avoir encollé les languettes (ici avec de la colle sur rouleau pour gagner du temps).

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