L'impression 3D à l'Abbaye de l'Epau

L'ITEMM était présent à l'Abbaye de l'Epau les 13 et 14 octobre derniers à l'occasion de la fête de la Science. En particulier, nous y avons présenté des pièces d'instruments de musique fabriquées en impression 3D. Les visiteurs ont été très heureux de pouvoir observer ces machines en fonctionnement. Les jeunes curieux ayant eu le courage d'observer les machines jusqu'au bout ont même pu repartir avec les précieuses pièces...

Pour cet évènement nous avions 3 imprimantes dont 2 prêtées par Guillaume d'Idea3D (que nous remercions encore au passage). Il y avait donc une Zortrax M200, une Ultimaker 2+ et une B-velta très appréciée. Outre les figurines imprimées avant l'évènement pour attirer les enfants sur le stand, ces imprimantes ont travaillé tout le eek-end pour fabriquer tout un tas de pièces d'instruments de musique : des barillets de clarinette, des clés, des pattes de flutes, des pistons et embouchures de trompette, un chevalet de guitare...

"Mais si je change le matériau, ça change le son ?" nous dira-t-on ! Donc direction le deuxième stand pour discuter de l'acoustique des instruments, et de l'importance ou non du matériau, avec preuve à l'appui.
L'évènement a été un succès et c'est plus de 2800 personnes qui ont fait le déplacement et qui ont ainsi pu profiter des animations proposées.

Caractérisations mécaniques de polymères pour l'impression 3D

Deuxième partie de l'étude sur les propriétés mécaniques et thermiques de différents polymères utilisés en impression 3D. Pour rappel cette étude était une des thématiques du stage de Stanislas Villard co-encadré par l'Itemm et Buffet Crampon. Dans cet article nous présentons les différents essais mécaniques envisagés.


Traction et flexion

Essai de traction

Les essais de traction et de flexion, effectués suivant les normes ASTM D638 et ISO 527 pour la traction et ISO 178 pour la flexion, renseignent sur les propriétés élastiques du matériau. Les valeurs de ces paramètres élastiques issues des données fabricants sont généralement acquises sur le matériau avant impression. Ici nos tests sont réalisés sur des pièces imprimées. Suivant l'orientation de la pièce à imprimer, ces valeurs peuvent varier.

Choc Izod (norme ISO 180)

Ces essais permettent d'estimer la fragilité du matériau soumis à des chocs. Pour ces mesures, une lame horizontale percute la pièce maintenue à la verticale. L'orientation de la pièce lors de l'impression a un impact important sur la fragilité de la pièce, et donc sur sa résistance aux chocs.

Dureté

Les mesures de dureté, selon la norme ISO 2039, se font en compressant une bille pendant un certain temps sur la pièce à tester. Suivant la profondeur mesurée, la dureté peut être calculée. Pour cette caractéristique, l'orientation de la pièce à imprimer joue également un rôle important.


Le prochain article exposera les caractéristiques thermiques ainsi que les conclusions des différents essais.

Une trompette innovante à l'honneur

L'actualité de ce mois ci met à l'honneur le facteur d'instruments à vent Jérôme Wiss et sa trompette innovante. Ancien élève de l'ITEMM, Jérôme a conçu et fabriqué une trompette acoustiquement juste. En particulier, il a utilisé les techniques d'impression 3D pour créer un prototype fonctionnel, et ainsi tester l'ergonomie de l'instrument et effectuer d'éventuels ajustements. L'instrument final est fabriqué de manière traditionnelle.

Prototype fonctionnel de trompette en impression 3D

La trompettiste sarthoise Lucienne Renaudin-Vary, récompensée aux Victoires de la musique classique en 2016, a essayé et adopté cet instrument innovant. Elle l'a expérimenté le 11 janvier dernier  lors de la deuxième rencontre luthiers Innovants - musicien/nes organisée par l’ITEMM et en partenariat avec Europajazz.

Cet évènement a été relayé par Créapolis, dont l'ITEMM et Europazz sont adhérents.

Pour en savoir plus :
jeromewiss.com - france3-regions.francetvinfo.fr

Flûte traversière en impression 3D - Partie 3 : montage et analyse

Cette dernière phase constitue une partie importante du projet. Elle consiste à valider l'impression en vérifiant les cotes, en ajustant les différentes pièces pour les monter ensemble, et en analysant les erreurs. En fonction de ces analyses, plusieurs solutions sont envisagées pour palier les éventuelles erreurs: modifier les paramètres d'impression (matériau, orientation, ...) ou modifier la modélisation 3D. Cet article présente ces analyses et les solutions envisagées.

Solidité des pièces imprimées

Modèle CAO original (en haut).
Modèle CAO après modification (en bas).

Pour rappel, le modèle CAO est basé sur la géométrie d'une flûté traditionnelle. L'utilisation d'un matériau plastique, ayant une résistance mécanique bien inférieure à celle du laiton ou de l'argent utilisés traditionnellement, a des conséquences évidentes sur la solidité des pièces. Par exemple, l'ABS utilisé pour les tests a une résistance à la traction 20 fois inférieure à celle du laiton. En particulier, certains supports de clés et plots ne sont pas exploitables en l'état, car trop fragiles. Ces pièces doivent donc être modifiées lors de la modélisation, comme illustré sur les figures ci-contre. L'épaisseur des parties sensibles a été augmentée.

Tampon en liège collé sur la clé

Concernant les clés il était prévu que les tampons, permettant de boucher les trous lorsque la clé est actionnée, soient vissés. Le plot prévu à cet effet, imprimé directement sur la clé, était trop fragile. La solution adoptée est l'utilisation de tampons en liège. Au lieu d'être vissés, ces derniers sont collés.


D'autres modifications du modèle CAO ont été effectuées afin de rigidifier certaines parties. Les défauts de cotes concernant la longueur et le diamètre de la patte d'ut ont été corrigés par fraisage et alésage, qui constituent des étapes classiques de fabrication d'un instrument.

Montage des ressorts de clés

Utilisation d'un ressort aiguille

L'utilisation de ressorts traditionnels permettant le rappel des clés était envisagé initialement. Pour cela, plusieurs ressorts ont été testés : ressort aiguille, ressort plat et corde à piano. La principale difficulté réside dans la mise en place du ressort. Le ressort est inséré en chauffant localement la matière, mais le cambrage du ressort est très difficile du fait du faible maintien du ressort dans la matière. La solution envisagée est d'inclure le ressort directement sur le modèle CAO. L'enjeu est de trouver la bonne géométrie permettant d'être à la fois résistant et élastique.  

Pour conclure, ces premiers essais ont permis de mettre en évidence les avantages et les limites de l'utilisation de cette technologie pour ce projet. En particulier, ces tests ont mis en lumière un fait important : l'utilisation des techniques traditionnelles d'usinage est compatible avec les matériaux plastiques, et en particulier l'ABS employé ici.

Assemblage de la patte d'ut sur la flûte originale, et clés montées sur l'axe

Barillet de clarinette en impression 3D - Partie 2

Conception et fabrication d'un barillet de clarinette en impression 3D

Suite au premier test d'impression (voir article précédent), les relevés de cotes ont montré un écart par rapport au modèle numérique. Cet écart est trop important pour l'utilisation visée. On rappelle que la géométrie d'un barillet a un impact important sur le son de l'instrument. 


Stabilité dimensionnelle et étanchéité

Ce barillet a été imprimé en Z-ABS. Cette matière est réputée pour être assez sensible aux variations dimensionnelles lors de l'impression. Pour corriger ce défaut, nous avons modifié quelques paramètres d'impression disponibles sur le logiciel de l'imprimante. Après quelques tests nous sommes arrivés à des résultats satisfaisants. La modification du fichier CAO n'est donc pas nécessaire.    

Concernant l'étanchéité du barillet, il apparait que malgré un réglage maximal du remplissage de la pièce ce barillet possède une porosité supérieure à un barillet traditionnel. Plusieurs solutions sont envisagées et seront présentées par la suite. 


Impressions des musiciens

Le barillet final, avec les cotes justes mais sans traitement de surface, est monté sur une clarinette afin d'être testé en situation de jeu par des musiciens.  

Tests en jeu du barillet sans traitement

En situation de jeu l'instrument est difficile à maitriser. Les notes ont du mal à "sortir" de l'instrument. Concernant l'aspect sonore, la richesse du timbre est nettement moins prononcée. Ces aspects, bien connus, montrent clairement une porosité trop marquée du barillet. Un graissage de l'intérieur du barillet est envisagé.


Tests en jeu du barillet après graissage

Après graissage de l'intérieur du barillet, l'instrument est beaucoup plus facile à jouer. Le timbre est plus riche et la dynamique de jeu plus grande. Malgré cette amélioration les notes graves sont toujours difficiles à jouer, ce qui montre que la porosité est encore trop marquée par rapport à un barillet traditionnel. Un vernissage de l'extérieur du barillet est proposé.

Tests en jeu du barillet après vernissage de l'extérieur

Avec ce traitement, la puissance de l'instrument est augmentée, surtout pour les fréquences graves. En contrepartie, les notes jouées pianissimo sont difficiles à maitriser.

Conclusion

Ces premières expériences montrent qu'un barillet réalisé en impression 3D peut être utilisé dans un contexte de jeu. L'utilisation d'un matériau moins sensible aux variations dimensionnelles, comme par exemple le Z-HIPS ou le Z-ULTRAT, permettrait d'améliorer la justesse des cotes. Un traitement de surface est indispensable pour permettre l'étanchéité du barillet et supporter les pressions mises en jeu. D'autres traitements, non présentés ici, sont envisagés afin d'optimiser cette étanchéité. 


  

Barillet de clarinette en impression 3D - Partie 1

Conception et fabrication d'un barillet de clarinette en impression 3D

Clément Martin, ancien étudiant en BMA instrument à vent, a souhaité concevoir et imprimer en 3D un barillet de clarinette. Le barillet est l'élément faisant le lien entre le bec et le corps de l'instrument. D'un point de vue acoustique, la géométrie interne du barillet a un impact important sur le timbre et la justesse de l'instrument. D'autre part la pression acoustique à l'intérieur de cet élément est forte, il est donc nécessaire que la pièce imprimée soit suffisamment étanche. En conséquence, le respect des dimensions ainsi qu'une bonne étanchéité sont les paramètres importants du cahier des charges. 


Modélisation

Modélisation du barillet

Le barillet ayant servi de modèle pour le relevé des dimensions est un barillet Backun. Le design extérieur a été simplifié, n'étant pas déterminant pour les premiers tests prévus. A ce stade, les cotes sont fidèles au modèle original. Aucune modification n'est effectuée afin d'anticiper un éventuel problème de stabilité dimensionnelle dû au matériau utilisé. 

Impression 3D - premières analyses

Barillet en Z-ABS

Le barillet est imprimé en Z-ABS sur une Zortrax M200. Le remplissage est réglé au maximum et l'épaisseur de couche au minimum. Aucun support n'est nécessaire pour l'impression (raft mis à part).

Premièrement les cotes mesurées sur la pièce imprimée sont respectées à environ 10% (déviation maximale pour le diamètre interne). Cette déviation est trop importante pour l'utilisation visée, ce qui montre qu'elle doit être anticipée lors de la modélisation et/ou du choix de matériau (ainsi que les paramètres d'impression). Enfin malgré un remplissage réglé au maximum, la pièce finale est trop poreuse. Un traitement est donc nécessaire.

Ce barillet va être testé en condition de jeu sur une clarinette. Les observations du musicien ainsi que les traitements seront présentés dans un prochain article.

Flûte traversière en impression 3D - Partie 2 : tests d’impression

Pour ces premiers tests, nous avons utilisé notre imprimante Zortrax M200 et avons trois matériaux à notre disposition : le Z-ABS, le Z-ULTRAT et le Z-HIPS. La patte d’ut, constituée d’un tube sur lequel est monté plusieurs clés, a une épaisseur relativement fine. L’épaisseur de couche minimum est donc un paramètre important et oriente directement le choix du matériau. Pour le Z-ABS et le Z-HIPS, l’épaisseur de couche minimum est de 0,09 mm contre 0,14 mm pour le Z-ULTRAT. Pour cette raison, le Z-ULTRAT n’a pas été choisi.   

Patte d’ut et clés sortis de l’imprimante, avant retrait des supports

Les premières analyses montrent que malgré quelques réglages en amont de l’impression, le retrait des supports (imprimés avec le même matériau que les pièces) reste une opération délicate. L’orientation de la pièce est également un paramètre important. Le tube est imprimé verticalement et les clés horizontalement. 

Pour des raisons acoustiques, les pièces doivent être le moins poreux possible, bien que des traitements de finition existent pour satisfaire cette exigence. La densité d’impression, caractérisant le remplissage, doit donc être la plus grande possible. Ce réglage permet également de minimiser la fragilité des pièces.

Malgré ces quelques précautions dans les choix de conception et d’impression, nous avons constaté que les dimensions fonctionnelles ne sont pas respectées (décalage jusqu’à 10%) et que la fragilité des pièces est trop importante. Certaines parties des clés ont cassé lors du retrait des supports. 

Nous devons donc repenser et adapter la géométrie des pièces dès la phase de conception en prenant en compte les propriétés mécaniques du matériau et les capacités de notre imprimante (augmentation de l’épaisseur du tube, orientation, supports, …). 

La phase de correction commence…