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C’est un projet au long cours que je vous présente ici. Fabien avais besoin d’une petite fraiseuse pour usiner des PCB maison, de mon coté, je me demandais à quel point il était possible de miniaturiser ce type d’outils, et d’en réduire les coûts.
Le declic : Le déclic lui à eu lieu suite à une formation à l’utilisation d’une découpeuse laser. En effet, cette machine permettait d’atteindre une précision remarquable lors de la découpe, ainsi que de faire des angles droits sans les problèmes d’arrondis habituels lors des découpes à la fraiseuse. Là, en voyant ça, ça a fait tilt : c’est comme ça qu’il fallais fabriquer cette fraiseuse ! Pour tout dire, je n’en ai pas dormis de la nuit, commençant déjà à imaginer les plans. D’ailleur, au bout d’un moment, j’ai finit par me relever, histoire d’aller dessiner tout ça et pouvoir enfin me libérer l’esprit (3h du matin quand même ^^)
Le lendemain, je soumet mes plans à Fabien, qui est tout de suite séduit par l’idée :
Construire une micro fraiseuse, entièrement en contreplaqué emboîté, d’une surface inférieure à une feuille A4 de manière à pouvoir tenir facilement sur un bureau, et étant capable d’usiner des circuits au format europe (10x16cm).

Commence alors un gros travail de dessin industriel, à base de logiciel libre (librecad). Le procédé de découpe laser nous autorise à ne dessiner que les découpes, donc simplement en 2d. Après une première version sortie, on se rend rapidement compte que tout ne peut pas être anticipé facilement, et que si l’on continue simplement en 2D, on risque de devoir sortir beaucoup de prototypes avant d’arriver à une version correcte. Nous avons donc utilisé SolidWorks, uniquement pour faire l’assemblage de nos pièces, et ainsi valider les différentes jointures.

Le premier prototype sorti nous avais enchanté par la qualité de la découpe : C’était beau, c’était pro ! Malheureusement pour nous, le second résultat était déjà nettement moins réjouissant. En fait, sous la dénomination « contreplaqué » une grosse quantité de variantes, dans les plaquages, les colles, et les remplissages. Et en achetant le meme bois, chez le même fournisseur, nous avons eu la malchance de tomber sur deux séries différentes, avec un rendu complètement différent. Là où la première se découpait bien, avec des bords nets, la secondes brûlait, et nos assemblages se transformaient en petits tas de charbons. A force de recherches, on a fini par comprendre qu’il fallait du contreplaqué « tout okoumé », c’est à dire dont l’âme est également en okoumé, et non pas en peuplier comme c’est souvent le cas.

Concernant la partie mécanique, étant donné qu’elle est destinée au fraisage de pcb, peu d’efforts seront nécessaires, inutile donc de partir sur de gros moteurs. Nous avons donc utilisé des moteurs Nema11, qui offrent un couple largement suffisant pour une taille ridicule.

Les guidages linéaires se font via des douilles à bille glissant sur des stubs acier, l’entraînement est lui réalisé via une vis trapézoïdale.

Maintenant qu’on a les différentes pièces découpées, et qu’on a les différentes parties mécaniques, on peut commencer l’assemblage.

Reste maintenant à voir ce que ça donne, une fois motorisé.

On remet ça pour l’axe de Y, toujours selon le même procédé, ainsi que l’axe des Z. Comme on est du genre un peu impatient, on a fait un premier essai, avec uniquement l’axe X + Y, et en remplaçant la fraise par un stylo. Autant dire qu’on est plutôt satisfait de ce premier résultat

Concernant le pilotage de la CNC à proprement parler, on utilise une carte Arduino Uno, sur lequel est installé Grbl (pour l’interprétation du gcode). La partie puissance est confiée à 3 modules pololu A4988, le tout refroidit par un ventilateur de PC (on n’a pas mis de radiateur sur les pololu, et on va en avoir besoin).

Le fraisage à proprement parler sera confié à un moteur de mini-perceuse pour lequel je disposais des bons accouplements d’arbre, avec un mandrin de serrage. Malheureusement, il était assez ancien, et on sentait au fur et à mesure de nos tests que la fin approchais. Il a finalement finit par rendre l’âme, et nous avons du trouver une autre solution. Nous l’avons remplacé par un moteur du même type, un peu plus petit, malheureusement l’arbre n’était pas au même diamètre. Heureusement, Fabien a réussi à nous bricoler un couplage à partir du système Dremel.

Malheureusement pour nous, tout n’est pas allé comme sur des roulettes. Premier problème rencontré, l’Arduino se plante en plein milieu d’usinage (cf la photo du dessus). Quelques recherches plus tard, on trouve la cause (et donc la solution), sur certain déplacements (les 3 axes en même temps), notre alim ne suit plus. On met une alim plus puissance, et ça roule
En revanche, un autre problème plus bloquant se profile : les vibrations. En effet, le moteur utilisé n’est pas vraiment prévu pour cet usage, et vibre énormément. Pas sur son support, mais l’axe à l’intérieur de sa cage. Résultat, les premiers traits se passent bien, mais le temps aidant, on se retrouve à usiner un trait de 3mm d’épaisseur avec une fraise de 0.1mm
En revanche la structure en bois nous a convaincu : elle est suffisamment rigide pour que l’usinage se passe bien, et en cas de fausse manip (plantage de fraise à cause d’un mauvais zéro par exemple), l’ensemble plie, mais ne casse pas !

Où en est-on aujourd’hui ?
Le problème des vibrations n’est malheureusement toujours pas résolu. On cherche une solution permettant de coupler un axe moteur qui soit fiable, peu coûteuse, et qui limite au maximum les vibrations. De la meme manière, on recherche un type de moteur (un spindle), dont la taille soit adapté à notre fraiseuse, et surtout à un prix raisonnable. On en a en effet trouvé, mais à 500€, ce qui correspond au prix de la fraiseuse complète. Si des fois vous avez des idées, vous êtes les bienvenus !

Edit : toutes les photos et vidéos du projet sont disponible ici

Tags: Arduino, CNC, DIY, électronique

This entry was posted on Lundi, octobre 15th, 2012 at 18 h 20 min and is filed under General. You can follow any responses to this entry through the RSS 2.0 feed. You can leave a response, or trackback from your own site.