Logiciels utilisés : Inkscape, Onshape et Camlab
Machines utilisées : Sienci Mill One
Temps de réalisation : ~45′-60′ selon le design
Prix : <5.-
Résumé :
Réalisation d’un labyrinthe à bille par fraisage d’une plaque de PVC avec la Sienci Mill One. Ce projet aborde plusieurs logiciels et le transfert des données entre eux.
Avant propos.
Plusieurs tutoriels présentent déjà la façon de créer un design sous Inkscape (le jouet en bois ou l’autocollant vinyle), par conséquent cet article se focalisera sur les étapes de préparation à la FAO avec l’utilisation du logiciel CAMLab, plutôt que l’utilisation d’Inkscape (comme pour le circuit électronique).
Pour la conception du modèle 3D, il est tout à fait possible d’utiliser TinkerCAD à la place d’OnShape, ce dernier possède néanmoins plus de fonctions, dont l’édition du dessin vectoriel et la possibilité de paramétrer différentiellement les extrusions.
De même, plusieurs logiciels peuvent être utilisés pour préparer le fichier g-code. L’avantage de CAMLab c’est sa simplicité d’utilisation, le fait que les dimensions des fraiseuses du SEMLab soient déjà paramétrés et qu’il possède une table de paramètres recommandés pour celles-ci. Pour les utilisateurs avancés, il est recommandé d’utiliser Kiri:Moto directement dans OnShape, car il possède plus d’options. Kiri:Moto est également disponible en « standalone » à l’adresse suivante : https://grid.space/kiri
A noter qu’OnShape possède l’ensemble des outils nécessaires pour la réalisation de ce projet. Il n’est toutefois pas un bon logiciel de dessin vectoriel et son plugin de CAM, Kiri:Moto (dont dérive CAMLab), est plus complexe.
Et finalement, il est possible d’imprimer le modèle en 3D plutôt que de le fraiser… mais c’est beaucoup plus long.
Étapes de « CAO » :
1 – Création de la bordure et de la silhouette. Après avoir lancé Inkscape, créez le contour extérieur de l’objet avec l’outil adéquat (rectangle = F4, cercle = F5, …) que vous convertissez immédiatement en chemin (Ctrl+Maj+C). Réitérer l’opération pour créer l’espace intérieur. Créez ensuite la silhouette de l’animal selon la méthode de votre choix (vectorisation automatique d’une image matricielle ou tracée à partir de courbes de Bézier). Affichez le contour de la silhouette et réglez l’épaisseur du trait sur 3mm dans la boîte « Fond et Contour » (Ctrl+Maj+F). Corrigez au besoin le tracé pour que celui-ci demeure lisible. Travailler avec un contour aussi épais permet de se rendre compte approximativement de la perte de détail qui s’opérera lors du fraisage. Convertissez le contour de la silhouette en chemin (Ctrl+Alt+C) pour créez le « mur extérieur » de votre labyrinthe.
2 – Création du labyrinthe. Après avoir créé une grille de 3mm dans les propriétés du document (Ctrl+Maj+D), créez les « murs intérieurs » du labyrinthe en vous servant de la grille pour laisser un parcours (pour la bille) de 3mm de largeur. Fusionnez (Ctrl+ »+ » après sélection) les murs se chevauchant et assurez vous que tous soient convertis en chemin (Ctrl+Maj+C) à la fin de la création. Pour l’entrée et la sortie du labyrinthe, effectuez une soustraction (Ctrl+ »-« ) d’un rectangle (F4) dans le mur extérieur de la silhouette. Pour mieux visualiser votre création, n’hésitez pas à afficher le fond plutôt que le contour des objets. Assurez-vous qu’aucun contour ne se superpose, même en un seul point (typiquement « coin sur coin »), sans quoi il sera impossible de générer l’objet 3D dans Onshape.
3 – Export d’Inkscape et Import sous Onshape. Après avoir enregistré votre fichier SVG, réalisez un export en DXF révision 14 (Ctrl+Maj+S puis sélectionnez le bon format). Importez-le sous Onshape puis, après avoir ouvert le fichier, créez un nouveau « Part studio » (avec le « + » situé en bas à gauche de l’écran). Créez un « Sketch » sur le plan supérieur (« top« ), insérez le DXF à l’aide du bouton adéquat, puis validez.
4 – Extrusions. Sélectionnez tous les tracés du « Sketch 1 » et réalisez une extrusion de 2mm (ou plus selon les dimensions finales). Cachez la pièce résultante (« Part 1« ) et réaffichez le « Sketch 1« . Sélectionnez les surfaces correspondant aux murs, puis réalisez une extrusion de 5mm (à modifier selon les dimensions finales de l’objet) en sélectionnant l’onglet « Add« . En cas d’erreur, il est probable qu’il y ait l’une des situations suivantes : courbes se coupant ou superposition de points. Pour y remédier, éditez le tracé directement dans le « Sketch 1 » (en double-cliquant dessus).
5 – Export au format STL et import dans CAMLab. Par un clic droit sur la pièce « Part 1« , effectuez un export en STL du modèle. Choisissez une résolution moyenne et assurez-vous que les dimensions soient en millimètres. Après avoir ouvert CAMLab dans un nouvel onglet du navigateur, sélectionnez la bonne fraiseuse (ici Sienci Mill One v3) dans « Machine » et ajoutez au besoin les bonnes fraises (ici une fraise de 2.95mm de diamètre à bout plat) dans « Tools« . En cliquant sur « Import », importez le modèle STL. Assurez-vous des bonnes dimensions et du bon positionnement après avoir cliqué sur le modèle importé.
6 – Préparation de fraisage. Sélectionnez la fraise de 2.95mm à bout plat dans « Tools ». En réalité nous allons utiliser une fraise de 3.125mm (1/8″), mais le logiciel refusera de creuser correctement le labyrinthe en utilisant un diamètre supérieur ou égal à 3mm. Le rendu final ne sera pas altéré par ce subterfuge. Cochez les menus « Roughing » et « Cutout tabs » et décochez les autres menus. Effectuez les réglages adéquats de ces menus. Pour une plaque de PVC 5mm, voici les réglages correspondant :
Roughing :
- Step over = entre 0,5 et 1
- Step down = 5
- Feed rate = 1200
- Plunge rate = 250
- Leave stock = 0
Cutout Tabs :
- Width = 5
- Height = 2
Cliquez ensuite sur « Generate » et vérifiez que le tracé soit correct. Avec un « Step over » à 1, il peut subsister des morceaux de PVC dans les grandes surfaces. Pour les éliminer, il suffit de passer un coup de cutter après le fraisage. Il est possible de les réduire (voir les supprimer) en diminuant la valeur de « Step over », cependant cela va augmenter le temps global de fraisage.
7 – Export et vérification du G-code. Cliquez sur « Export » et enregistrez votre fichier G-code. A l’aide de CAMotics, vérifiez le fichier g-code généré.
Exemple :
Après avoir ouvert Inkscape, je commence par dimensionner (Ctrl+Maj+D) mon document selon mon projet, ici à 120 x 120mm. J’en profite pour créer la grille de 3mm dans l’onglet correspondant. Je crée ensuite un rectangle (F4) sans me soucier des dimensions, car je vais directement corriger celles-ci dans les paramètres affichés sous le menu (L et H à 120, puis X et Y à 0 après avoir utilisé la sélection générale – F1), puis je le converti en chemin (Ctrl+Maj+C). Je réitère l’opération avec les valeurs L et H à 114, et X et Y à 3 pour créez l’espace intérieur de mon objet.
Je crée ensuite la silhouette sur un nouveau calque (Ctrl+Maj+N) en me basant sur une image matricielle que j’importe (Ctrl+I). Pour cela, j’utilise l’outil de traçage de courbes de Bézier (Maj+F6) après avoir désactivé le magnétisme (à l’aide du bouton adéquat). Une fois la silhouette tracée, je supprime l’image matricielle puis de dimensionne la silhouette dans mon espace intérieur (avec l’outil de sélection générale – F1). Une fois terminé, je défini l’épaisseur du contour à 3mm (Ctrl+Maj+F) et je le converti en chemin (Ctrl+Alt+C).
J’ajoute un nouveau calque (Ctrl+Maj+N) puis je réactive le magnétisme (à l’aide du bouton correspondant). Je crée les murs intérieurs du labyrinthe avec des rectangles (F4) et des « courbes » de Bézier (Maj+F6) en me servant du magnétisme pour conserver un espace de 3mm entre les murs. Je réalise des fusions (Ctrl+ « + ») de murs lorsque ceux-ci se chevauchent (en particulier avec la silhouette). Pour l’entrée et la sortie du labyrinthe, je crée des rectangles (F4) que je soustrait (Ctrl+ « – » ) au contour la silhouette. Je m’assure également de ne pas faire se chevaucher des tracés en un seul point.
Je sélectionne la totalité de mes objets (par un rectangle de sélection) et je converti le tout en chemin (Ctrl+Maj+C). Je sauvegarde mon fichier (Ctrl+S) puis j’effectue un export en DXF R14 (Ctrl+Maj+S). L’ensemble des ces opérations m’aura pris une petite quinzaine de minutes.
J’ouvre maintenant OnShape et j’importe mon fichier DXF (Bouton « Create » puis « Import file »). J’ouvre le fichier importé et je crée un nouveau « Part Studio » (en cliquant sur le « + » en bas à gauche). Je crée un « Sketch » sur le plan supérieur (« Top ») à l’aide du bouton correspondant puis je vais chercher mon fichier DXF (à l’aide du bouton correspondant) et termine en validant. Je sélectionne l’ensemble du « Sketch 1 » et réalise ma première extrusion de 2mm. Je cache le résultat (« Part 1 ») et réaffiche le « Sketch 1 ». Je sélectionne les surfaces correspondant aux murs et j’effectue une nouvelle extrusion de 5mm (contrairement aux 4mm indiqués dans l’illustration) en sélectionnant le mode « Add » sur ma pièce précédente (« Part 1 »).
Après confirmation, je réaffiche ma pièce et j’effectue un export au format STL (qualité moyenne et unité en millimètres) en faisant un clic droit sur l’entrée « Part 1 ». Ces étapes auront été très rapides et bouclées en moins de 5 minutes. Si j’avais par contre rencontré des problèmes d’extrusions, il m’aurait fallu identifier les segments erronés et effectuer les corrections, ce qui peut être très long.
J’ouvre CAMLab et vérifie que la machine sélectionnée soit bien la Sienci Mill One v3. Je crée ensuite un outil (Tools) de 2,95mm à bout plat. J’importe mon fichier STL avec le bouton adéquat. J’effectue les réglages adéquats. Dans ce cas, je peux pousser la vitesse (1200) et la profondeur de coupe au maximum (5mm, mais cela n’empêchera pas de logiciel de créer plus d’étapes) car le matériau est très tendre. Le choix du « Step over » dépend de la situation : à 1 pour gagner du temps de fraisage (il n’y a qu’une seule machine pour tous les élèves) mais j’aurai plus de nettoyage à réaliser ou, à 0,5 pour obtenir un meilleur résultat (mais avec un fraisage plus long).
Je clique sur « Generate » et je vérifie qu’il y a un tracé de coupe dans chacun de mes chemins du labyrinthe (il en manque ici un au niveau de l’oeil, que je décide d’ignorer). J’effectue alors l’export du G-code avec le bouton adéquat. Ces étapes m’auront pris également 5 minutes, pour un total de 25 minutes de CAO. Par sécurité, il est conseillé d’ouvrir le fichier G-code sous CAMotics pour vérifier que tout est en ordre.
Etapes de « FAO » :
Remarques :
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 le matériau sur le plateau de la CNC.
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.
0 – Copie des fichiers G-code sur une clé USB. Les Raspberry Pi pilotant les CNC du SEM Lab n’étant pas sur le réseau, il est nécessaire de copier le fichier g-code (.nc ou .ngc) sur une clé USB.
1 – Préparation de la fraiseuse. 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 (ici une fraise 1 dent de 3mm de diamètre) et la plaque de PVC et réglez la position zéro de travail.
2 – Gravure. Démarrez la fraiseuse sur la vitesse adéquate (ici position 1 – 10’000 rpm pour le PVC) et lancez le fichier g-code. Une fois celle-ci terminée, éteignez la fraiseuse. Démontez la planche et effectuez un rapide nettoyage. Pour détacher le labyrinthe de la plaque de PVC et enlever les bouts restant, il suffit de passer un coup de cutter.
4 – Finitions. Éliminez les morceaux de PVC excédentaires avec un cutter. Avec une lime ou du papier de verre, lissez les grandes surfaces fraisées. Pour améliorer le visuel, il est possible de sprayer de la peinture sur le labyrinthe, puis d’éliminer celle-ci sur le sommet des murs avec du papier de verre. Coupez une plaque d’acrylique (ou de polycarbonate) transparent de 1mm d’épaisseur, aux dimensions du modèle, avec un massicot (ou des ciseaux). Placez la bille dans le labyrinthe puis coller à la superglue la plaque d’acrylique sur le labyrinthe.
Exemple :
Après avoir démarré le Raspberry pilotant la Sienci Mill One, je lance bCNC et j’initialise la CNC. J’insère la mèche de 3mm à 1 dent et bout plat dans la fraiseuse que je règle en position 1 (10’000 rpm). Je fixe la plaque de PVC sur le plateau de la CNC puis je règle la position 0 après avoir positionné la CNC. Je charge le fichier et je lance la découpe. Une fois la découpe terminée, j’éteins la fraiseuse et range le tout. La découpe aura duré 18 minutes. Avec un « Step over » de 1, elle aurait duré environ 12 minutes.
J’enlève les morceaux de PVC restant avec un cutter. Je peint la plaque avec une bombe de peinture. Une fois la peinture sèche, je l’enlève de la surface supérieure avec un papier de verre. Je coupe la plaque d’acrylique transparente avec le massicot aux bonnes dimensions. J’insère la bille d’acier de 2mm dans le labyrinthe et je colle la plaque d’acrylique par-dessus avec de la superglue. Je presse le tout avec un gros livre pendant le séchage de la colle.
La photo d’illustration est prise avant collage de la plaque d’acrylique pour éviter les reflets.