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Modèles Cristallins

Modélisation des systèmes cristallins

Comment rendre la compréhension de leurs éléments de symétries plus visuels ? 


Camille Labbey et Alexandre Dubois

Encadrants : Loic Labrousse, Pierre Thery, Mathieu Chassé

Sommaire 

I- Introduction 
II- Objectif du projet
III- Journal de bord
IV- Projet et résultats finaux
     a. Systèmes cristallins 
classiques
     b. Systèmes cristallins avec éléments de symétries
     c. Fichiers stl des modèles avec éléments de symétries
     d. Fichiers stl des modèles classiques
     e. Fichiers des patrons pour la découpeuse vinyle
V- Annexe : Logiciels et machines utilisées                                                                                                                                                VI- Bibliographie


I- Introduction 

A l'échelle microscopique, les atomes sont ordonnés de façon précise et périodique dans les solides.  La plus petite entité permettant de décrire un solide est appelée maille. Il en existe sept : triclinique, monoclinique, orthorhombique, hexagonal, rhomboédrique, quadratique et cubique. Ce sont des hexaèdres. Toutes les mailles sont caractérisées par trois longueurs d'arêtes et les trois angles les séparant.

Dans cette UE, notre but est de réaliser des reproductions des mailles pour que les étudiants puissent mieux les visualiser et s'entrainer à voir et à trouver les éléments de symétries. En effet, ce sont ces éléments qui régissent les propriétés macroscopiques. Il en existe de plusieurs sortes : axes, plans miroirs et translations. Ici, nous ne nous intéressons qu'aux axes et aux plans miroirs.

image-1682610571193.png

Schéma d'une maille (quelconque)


II- Objectif du projet 

Nous devons réaliser plusieurs sets de systèmes cristallins à but pédagogiques. Certains seront sans éléments de symétries et d'autres avec éléments de symétries. Ces modèles serviront dans le cadre d'un TP de cristallographie/minéralogie en licence de Sciences de la Terre.  


III- Journal de bord 
Journal de bord

27/01/2023

Aujourd'hui, nous voyons avec le professeur ce qu'il souhaite pour le projet. Nous devons réaliser cinq sets d'entrainements et cinq sets de corrections. Pour cela , nous allons principalement utiliser l'impression 3D que ce soit avec de l'acide polyactique (PLA) ou de la résine. Les deux nécessitent des fichiers au format stl.

Nous sommes partis sur des modèles de 6cmx6cm. Nous avons commencé par visualiser avec Vesta certains minéraux pour découvrir leur structure. Nous avons alors remarqué que nous pouvions faire les fichiers stl à partir de Vesta.  Cependant, il n'était pas possible de faire les axes de symétries.

Dans un premier temps, nous allons recréer les mailles primitives à l'aide d'Openscad pour réaliser une base de données utilisable par les étudiants où ils pourront modifier les paramètres de mailles à leur guise. Une fois la base de donnée constituée, nous pourrons ajouter les éléments de symétries sur les mailles. Nous partirons sur des gravures pour représenter les éléments de symétries. 

Pour la semaine prochaine, il serait bien que nous testions les impressions 3D et le flocage. C'est une technique qui nous permettrait de rajouter les éléments de symétries sur les polygones.  

03/02/2023  

Camille réalisa un code pour que les élèves de M. Chassé puissent retrouver les systèmes cristallins. Ce code est censé marcher pour tous les systèmes. C'est à dire qu'en rentrant les paramètres a, b, c, alpha, bêta et gamma, le logiciel Openscad sera capable de recréer la maille voulue. 

Pendant ce temps, Alexandre imprima les premiers modèle en PLA et coda le système monoclinique avec ses éléments de symétries afin de savoir comment cela aurait rendu (prise en main, poids, taille). Openscad permit de fabriquer les fichiers stl mais il fallu ensuite les rentrer dans IdeaMaker pour les rendre compatibles avec les imprimantes du Fablab, organiser le plateau, la qualité d'impression et éventuellement agrandir ou rétrécir les modèles.

Les imprimantes PLA se situent dans l'espace prototypage.

1ere impression.jpeg
Première impression en PLA : deux systèmes monocliniques

07/03/2023 

Nous avons lancé les impressions des systèmes quadratiques, monocliniques et orthorhombiques avec des éléments de symétries. Il était compliqué, juste avec Openscad, de bien ajuster les tailles des axes ou des miroirs par rapport à celle de la maille. Cette impression était un test pour savoir à quel point les éléments doivent être gros. 

08/02/2023 

Lorsque les modèles à imprimer deviennent complexes, il est parfois nécessaire d'utiliser des supports pour stabiliser la structure et donner un sol sur lequel l'imprimante peut construire sa réalisation. Les impressions de la semaine dernière ont raté vraisemblablement à cause de la mauvaise gestion des supports. Soit il n'y en avait pas assez, soit ils étaient trop fins.

ratage d'impression du 08_02.jpeg
Echec de l'impression de quatre modèles : deux quadratiques et deux orthorhombiques

Seuls les monocliniques furent épargnés. Cependant les axes sont minuscules, ce qui les rend extrêmement fragiles et les miroirs font brouillons. De plus, il y a une erreur dans le codage de ces monocliniques. En effet, ils n'ont pas été définis à partir des paramètres a, b, c, alpha, bêta et gamma mais à partir de coordonnées dont certaines erronées. 

deux monocliniques V1 axes.jpeg
Premières impressions avec axes de symétries 

10/02/2023

Nous avons relancé des impressions PLA des systèmes monoclinique (avec les bonnes dimensions cette fois-ci), quadratique et orthorhombique. Nous avons allongé et grossi les axes. Sur les impressions ci-dessous, plusieurs choses peuvent être remarquées. Déjà, le monoclinique est un test de représentation inversée. Au lieu de faire ressortir les axes, nous les avons creusés et au lieu de graver le miroir, nous l'avons fait ressortir. Cette visualisation ne sera pas gardée.

monoclique sym inverse+dédicace.jpeg

Ensuite, pour les deux autres modèles, la forme des axes varie. En effet, celle-ci est codifiée et correspond à la valeur de l'axe. S'il permet de faire 2 rotations, il sera ovale, un triangle, 4 un carré et 6 un hexagone. Enfin, il manque quelques plans miroirs sur le quadratique.

quadratique V1 vrai.jpegquadratique V1.jpeg


Rendez-vous et bilan de l'avancée du projet 

Nous nous sommes alors entretenus avec M. Chassé. La taille de ces modèles lui convenait. En outre, nous pouvions voir sur le monoclinique les traces d'un marqueur pour tableau qu'il effectua. Notre professeur souhaitait que ses étudiants puissent dessiner sur les futurs modèles d'entrainements puis effacer. Pour cette raison, les impressions finales d'entrainements seront blanches pour mieux voir l'encre. Par ailleurs, les premières impressions ont été conçues en exagérant les proportions de manière à être le plus explicite possible. Elles ne sont pas, pour cette raison, représentatives de la réalité. M. Chassé nous  demanda de caler les paramètres des modèles sur les dimensions de certains minéraux existant pour éviter les erreurs de représentation et de proportion. Il nous précisa ensuite de faire attention à la longueur des axes. M. Labrousse approuva cette idée en ajoutant que des axes longs aurais été fragiles. 

A présent, il existe deux versions des programmes Openscad pour les étudiants afin qu'ils puissent visualiser les modèles en ligne. 

Programme n°1 : 

image-1682614173389.png 

Programme n°2 : 

image-1683750192019.21.30.png

image-1683750211363.22.01.png

Nous repartons donc aujourd'hui avec beaucoup d'objectifs : 

  • vérifier s'il est possible d'effacer le marqueur des impressions PLA comme résine,
  • tester l'éthanol pour savoir s'il endommage les impressions car ce solvant permet d'enlever les marqueurs,
  • faire des impressions résines,
  • essayer avec M. Théry la lisseuse, un instrument chauffant pour lisser nos productions,
  • regarder si avec la découpeuse vinyle, coller des stickers afin d'écrire sur les modèles est envisageable,
  • voir si nous pouvons, à l'aide de la découpeuse à eau, recouvrir nos productions de plexiglas,
  • terminer toutes les corrections. Actuellement, il nous manque les systèmes rhomboédrique, cubique et hexagonale.

Par ailleurs, il est envisagé, sous réserve que nous terminions rapidement, de reproduire des mailles de minéraux existants, de coder les modèles avec les motifs (atomes ou molécules) dedans. 

12/02/2023

Les systèmes classiques sont tous terminés pour les modèles simples (voir Systèmes cristallins classiques) et une partie des modèles avec axes aussi. (voir Systèmes cristallins avec symétries). Nous avons testé la lisseuse. Elle a déformé notre modèle. A la place, M. Théry nous a proposé d'utiliser la découpeuse vinyle pour coller un papier Velleda sur nos impressions en PLA afin d'avoir les formes parfaites. Cela nécessiterait l'utilisation du logiciel Inkscape pour avoir le chemin vectoriel. Il faut juste vérifier les dimensions du film pour savoir s'il est compatible avec la découpeuse. Nous pourrions également tester de lisser la surface avec du sable chauffé puisque le fer chauffé déforme notre structure. Enfin, plusieurs personnes nous ont conseillés de faire un trou universel dans les modèles puis de laisser les étudiants trouver quels axes correspondent à quelles cavités. Mais nous n'avons pas garder cette proposition pour plusieurs raisons. D'abord, souvent les axes s'entrecroisent au centre de la maille. Pour éviter qu'ils ne se gênent, il aurait fallu les raccourcir de façon précise. Mais le principal problème rencontré concerne le maintien des axes au sein de la structure. Nous aurions dû créer un système de clefs et de serrures pour éviter que les axes ne tombent en manipulant le modèle. 

17/02/2023

Lorsque qu'un minéral est trouvé dans la réalité, sa forme ne correspond pas forcément à sa maille primitive. Il a pu être découpé selon des plans bien précis. On parle alors de troncature. Ci-dessous, il s'agit de la réalisation de troncatures pour le système cubique. 

Essai de troncature du système cubique (cubo-octaédre) :

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Essai de troncature du système cubique avec symétries (cubo-octaédre):

image-1676714788778.06.23.png

Au sein de la faculté les impressions résine dépendent du Fablab de biologie/chimie. Il a fallu se rendre au Fablab biologie à l'atrium pour demander des informations sur l'imprimante résine mais il était fermé. Camille est allée faire un tour au Fablab chimie pour savoir s'il était possible de lancer une impression résine du système cubique avec axes de symétries. Cependant, le responsable du Fablab de chimie, expliqua que les impressions doivent être lancées le jeudi. La résine est un fluide qui se polymérise sous l'effet des UV. Il faut stopper manuellement la réaction pour éviter des dégâts sur les produits. Si les impressions étaient lancées les vendredis soirs, au retour du week-end, elles seraient abimées ainsi que le matériel.

Camille enverra un mail ce week-end à Simon Lanis afin de convenir d'une date. Egalement, il serait bien d'écrire sur des échantillons de résine afin de savoir si nous pouvons effacer le marqueur. Comme les BIC Velléda sont les plus compliqués à enlever, nous allons faire nos essais de dessins avec. 


L'impression du système cubique en haute résolution avec une coque très fine et un remplissage de 15% à  pu être lancé. Il s'agit de la première impression haute résolution effectuée. Si au toucher elles sont plus lisses et visuellement plus jolies, la durée d'impression est beaucoup plus longue. Nous pourrons ainsi disposer d'un aperçu du rendu "final" que pourrait donner les systèmes. En principe l'impression devrait être terminer ce week-end. 


En parallèle, nous nous sommes rendu compte que les programmes servant à recréer les mailles ne fonctionnaient pas pour le système rhomboédrique. En effet, en comparant la taille des diagonales des faces, elles étaient toutes différentes. Or, le rhomboèdre est composé de 6 losanges identiques. Il fallait donc recoder ce système complètement puis ajouter les axes dessus. Cela signifiait également un disfonctionnement des programmes les rendant inaptes à l'enseignement.  Il s'agissait du seul système nous faisant défaut. 

Dans un second temps, il nous faudra résoudre les problèmes de surface des pièces, elles doivent être les plus lisses possibles pour éviter l'absorption de l'encre au sein des porosités. La résine pourrait être une solution. En effet, si le film Velléda ne tient pas ou bien s'il est abimé par les étudiants, le projet ne sera pas viable sur le long terme.

Les axes de symétries sont définitivement trop fragiles. Au moindre choc, chute, transport dans une poche, ils se cassent. Il faut trouver un meilleur rapport entre longueur/épaisseur des axes pour les préserver au maximum. Des axes plus petits mais plus larges semblent être adaptés.  

Dans un troisième temps, nous pourrions créer deux boites avec la découpeuse laser ou un autre appareil pour ranger proprement tout les systèmes.

24/02/2023 

L'impression du cube a partiellement fonctionnée. Les axes situés sur la face inférieure n'ont pas été correctement imprimés.  En outre, elle souffre aussi d'un défaut puisqu'elle n'est pas lisse. Cela est dû au socle trop épais, difficile à retirer. En temps normal, les structures supports partent relativement facilement. Cependant, ici, il a fallu utiliser un cutter à ultra-sons pour les couper puis limer le surplus de matière de la face postérieure. Pour les prochains essais, il serait bien d'utiliser des supports plus conséquents et plus larges que la face du cube.  Le reste du modèle est parfaitement imprimé, la surface est beaucoup mieux aboutie que les autres modèles et les axes plus petits devraient mieux résister.

Résultat de l'impression avec la meilleure résolution : 

image-1677322058742.jpg   image-1677322457802.jpeg

Photos de la face ratée avant et après limage:

 image-1682695057363.png     image-1682695168084.jpg

Cutter à Ultrason : 

image-1677323173717.jpg

Réalisation d'essais de traces au markers sur des échantillons en résine :

Lorsque nous reçurent pour la première fois les échantillons en résine, il nous est apparu que certains markers pouvaient être effacés. Les markers bleus et verts semblent être adaptés à notre projet puisqu'effaçable même après une heure d'attente. Ainsi, l'utilisation de résine translucide semble être une des solutions répondant aux critères de M.Chassé. 

image-1677323894846.jpgimage-1677323894869.jpgimage-1677323894885.jpgimage-1677323894900.jpgimage-1677323894922.jpg

image-1677324550017.28.14.jpg

Pour la semaine prochaine, nous devons continuer à chercher les axes et plans miroirs du système rhomboédrique. En effet, il n'est toujours pas codé de façon correcte.  

Par ailleurs, la boîte de fin de projet pourrait être construite à la découpeuse laser. Des crans sur les côtés de celle-ci serviraient à l'assemblage de chacune de ses faces. Enfin, l'intérieur comporterai de la mousse afin de préserver les impressions. 

10/03/2023

Le code du système rhomboédrique a enfin été trouvé. Depuis plusieurs semaines, nous étions bloqués sur son automatisation au sein d'Openscad. Pour des valeurs de paramètres conformes à la définition du rhomboèdre (a=b=c, alpha=bêta=gamma), les losanges obtenus différaient les uns des autres. Nous nous en sommes rendus compte grâce aux axes. Il était impossible de les baser sur nos paramètres. Il fallait tout le temps tâtonner au cas par cas là où pour les autres systèmes tout est automatique. Cela pris 3 semaines pour comprendre comment définir les longueurs de ce polyèdre. Par ailleurs, comme ce système ne marchait pas dans les codes d'amusement des futurs étudiants à cause de la complexité des coordonnées, il est plus que probable que les codes ne marchent pas non plus pour le système triclinique. Il dispose de trop de translations interdépendantes les unes des autres pour être aussi simple à coder. Si nous disposons d'un peu de temps à la fin, il pourrait être intéressant de trouver comment le créer dans Openscad. 

Après avoir testé plein de variantes différentes, c'est finalement via la résolution d'un système à deux inconnus que les translations ont été trouvés. C'est en effet le passage de la structure 2D en 3D qui posait problème. D'une part le triangle rectangle entre la translation en x, la longueur a(hypoténuse) et la hauteur mais également via les coordonnées du vecteur BE, et BD dont on a comparé les normes. 

image-1682697127775.pngimage-1679059731159.JPEGSchémas de la solution

//variable
a=6.36;
alpha=46.6;

//définition des translations

ralpha=alpha*3.14/180;
x=a*cos(alpha/2);
y=a*sin(alpha/2);
x1=(y)^2;
x2=(x)^2;
x3=2*x;
tx=(a^2-3*x1+x2)/x3;
tz=sqrt(a^2-tx^2);

//polyèdre
A=[0     ,0  ,0  ];
B=[x     ,y  ,0  ];
C=[2*x   ,0  ,0  ];
D=[x     ,-y ,0  ];
E=[tx    ,0  ,tz ];
F=[tx+x  ,y  ,tz ];
G=[2*x+tx,0  , tz];
H=[tx+x  ,-y , tz];
points=[
A,
B,
C,
D,
E,
F,
G,
H];
face=[[0,1,2,3],//sol
      [4,5,1,0],//au dessusi
      [7,6,5,4],//derrière
      [5,6,2,1],//droite
      [6,7,3,2],//gauche
      [7,4,0,3]];//devant

//vérification
polyhedron(points,face);
v1=B-E;// B et E
v2=H-F;// F et H
v3=A-F;
v4=A-C;
nv1=norm(v1);
nv2=norm(v2);
nv3=norm(v3);
nv4=norm(v4);
echo(nv1,"norme de v1");
echo(nv2,"norme de v2");
echo(nv3,"norme de v3");
echo(nv4,"norme de v4");
echo (tx,tz);

Code pour le rhomboèdre

Il est a noté que ce code marche également pour le cube si les angles sont égaux à 90°, c'est pour cela que dans la définition du rhomboèdre, les angles doivent être différents de 90°. 

17/03/2023 

Nous avons continué la pose des axes de symétries sur le rhomboèdre. En parallèle, trois nouveaux modèles en PLA furent imprimés afin de les recouvrir de papier film Velléda. La commande que nous avions passé arriva la semaine dernière. Enfin, le cube fut projeté afin de tester leur résistance. Certains furent cassés, leur durée de vie est donc le principal souci pour les modèles de corrections.

22/03/2023 : 

Une impression résine a été lancée pour les systèmes suivants : 
- cubique classique 
- quadratique classique 
- orthorhombique classique
- monocline classique 
- triclinique classique 
- hexagonal classique
- cubique corrigé 
- quadratique corrigé
- orthorhombique corrigé 

Il était initialement prévu d'imprimer le rhomboédrique classique. Cependant, le fichier slt ne se chargeait pas sur le logiciel de visualisation Chitubox. L'utilisation de l'imprimante en résine est plus technique et plus coûteuse que celles utilisant le PLA. De plus le bac doit être rempli de façon précise avant l'impression pour éviter d'être en manque de résine pendant la fabrication des modèles. Ici il fallait 62ml.

Les systèmes furent fabriqués simultanément à l'aide d'une seule imprimante en résine grise. Il font environ  2cm de long. C'est plus petit que les autres impressions mais cela permit de tous les avoirs rapidement. Nous pourrions les avoirs en blancs, noirs ou transparents. Ce serait bien d'essayer ces couleurs afin de les comparer.

24/03/2023

L'impression des modèles en résine a duré 2 heures. Elle n'a pas fonctionnée pour les polygones dans la partie gauche du récipient contenant la résine. Néanmoins, la définition des objets est bien plus fine qu'avec l'impression à filament.

Ainsi les systèmes imprimer à ce jour sont : 
- système cubique classique 
- système cubique corrigé
- système monoclinique classique 
- système orthorhombique corrigé 
- système hexagonal classique 

image-1679653957012.32.33.pngimage-1679653696119.26.42.pngimage-1679653696267.26.30.pngimage-1679653696150.26.52.pngimage-1679653745321.pngimage-1679653794003.pngimage-1679653696211.27.20.png

Photos des premières impressions en résines

Etapes de traitement pour l'impression résine
- Enlever à l'aide d'une spatule en plastique les supports collés aux films,
- Décrocher les systèmes des supports,
- Transvaser le restant de résine dans le conteneur à résine à l'aide d'un filtre pour permettre afin de filtrer les morceaux,
- Gratter à l'aide d'une spatule en plastique les morceaux solides encore accroché aux films,
- Nettoyer à l'aide d'un papier le bac,
- Laver à l'aide d'un papier et d'un solvant (propanol) le bac de résine, 
- Plonger entre 5 et 15 minutes les pièces dans un grand volume de solvant afin d'enlever la résine liquide résiduel,
- Sortir les pièces du solvant et les laisser sécher sous la hotte,
- Rincer à l'eau et au savon les spatules, l'entonnoir, le filtre et le support où étaient suspendues les impressions, 
- Exposer ces dernières aux ultraviolets naturels ou synthétiques pour durcir les pièces.

24/03/2023

Après avoir récupéré les impressions en résines, nous avons écris dessus avec un feutre Velléda vert pour savoir si elles étaient effaçables. La réponse est non. Pourtant au toucher, les surfaces paraissaient lisses. Avec M. Labrousse, nous avons regardé au microscope électronique le trait de Velléda sur le cube en résine. Grâce à celui-ci, nous avons vu des sillons droits apparaître au sein de la surface (grossissement x40). Elle est donc poreuse. L'encre reste dans les parties creuses du cube (grossissement x1000). Le microscope possède l'option topographie. Nous en avons donc profité pour réaliser la topographie de l'échantillon. Il n'était pas lisse à cause de sa porosité et possède un relief. Nous pourrions éventuellement tester l'acétone ou l'éthanol pour regarder si l'encre aurait pu disparaitre sans abîmer l'échantillon

En revanche, il semblerait que les impressions en résines sont plus résistantes que les impressions en PLA, nous pourrions faire les modèles correctifs en résine afin conserver les axes qui restent trop fragiles. 

cube_resine_alex_fablab_40.jpgcube_resine_alex_fablab_1000.jpg

Grossissements du cube x40 et x1000

cube_alex_3d.jpg

Topographie d'une surface du cube

L'image supérieure droite montre la coupe sur la surface du cube pour un grossissement x1000. Celle en haut à gauche présente une carte de la surface analysée en fonction de la hauteur. Le bleu vaut 0 micromètre et le rouge 18.  Enfin, la courbe en bas est la topographie de la surface pour un grossissement x1000. 

Dans un second temps, après avoir reçu le film Velléda, nous avons pu tester la découpeuse vinyle afin de recouvrir les modèles d'exercices.                                                                                                                                                                

Les trois impressions en PLA noir de la semaine dernières furent recouvert de papier Velléda. Sur le logiciel Graphtec Studio, il est possible soit de reproduire les faces des modèles soit de créer un patron. Ici le cube est recouvert d'un patron exactement aux bonnes dimensions. Le patron du monoclinique est légèrement plus grand afin de prendre en compte les déformations dus au pliage. Le rhomboèdre est recouvert par 6 losanges.                                                                                                                        Les patrons semblent plus adaptés que le collage face par face. Notamment parque que l'une des faces du rhomboèdre fut perdue. D'ailleurs, exagérer les proportions du patron n'est pas une bonne idée. En effet, les pliages sont disgracieux, il faut découper ce qui dépasse ce qui n'est pas évident. Même le cutter à ultra-sons n'est pas pratique pour cette besogne. Il fait fondre le film et légèrement le PLA.  Ces modèles résistent bien mieux aux chutes depuis un bureau ou plus haut. Par ailleurs, comme le film Velléda est conçu pour être utilisé avec des marqueurs, il n'y a aucun problème pour effacer les écritures. Cependant, le papier film Velléda se colle mal sur le PLA. L'usage de colle est obligatoire pour une utilisation pérenne des modèles.  Il semblerait que la Loctite 406 adhère mieux sur le plastique. Comme nous souhaitons réaliser 5 sets de 7 pièces, cela va prendre du temps de recouvrir l'intégralités de nos systèmes.  De plus, il existe déjà des modèles d'entrainements similaires. Ils sont beaucoup plus gros mais il n'y a qu'un seul set. Ici, plusieurs groupes pourront s'exercer simultanément. 

Cette solution semble être la plus adaptée pour notre projet mais nous en discuteront avec M. Chassé lors de notre prochaine entrevue pour savoir si cela lui convient. Si tel est le cas, alors nous utiliserons du PLA blanc pour les modèles afin de masquer au maximum les imperfections de collage. 

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Photo des trois modèles recouvert de film Velléda, le cube a des arêtes de 3cm

31/03/2023

Aujourd'hui, nous avons rencontré M.Chassé pour faire le point sur l'avancé du projet. Après avoir discuté avec lui, nous avons décidé de faire les systèmes recouverts de Velléda pour les modèles d'exercices. A l'inverse, les modèles de corrections seront réalisés en résines. Nous espérons ainsi qu'ils seront plus résistants que les modèles en PLA.                                         

A cette fin, nous avons définis des dimensions précises basées sur celles de minéraux pour chaque systèmes pour qu'ils soient facilement reproductibles en cas de perte, de casse ou de vol (fichiers stl et fichiers stl de correction). Pour éviter au maximum des soucis d'impressions nous voulions utiliser deux imprimantes pour imprimer les 35 modèles (7*5). Cependant une des imprimantes n'a pas marché donc il n'y en aura que la moitié pour le moment.             

Si nous parvenons à terminer rapidement, nous allons ensuite réaliser une boite afin de protéger des chocs, pertes, mais également de préserver la colle.

08/04/2023

Nous avons eu un problème d'impression sur les 16 modèles lancés la semaines dernière. 7 ont été imprimés mais seuleument 3 ou 4 sont exploitables, les autres ont trop de défauts pour être recouverts de film. De ce fait, les impressions seront lancées petit à petit les unes après les autres ce qui nécessitera un temps considérable.                                                                     

La découpeuse vinyle aussi fut compliquée à utiliser. Il fallu demander pour la réalisation des trois tests des semaines précédentes l'ordinateur d'une personne ayant déjà réussi à la faire fonctionner. D'autre part, comme elle est précise au mm et les impression à + ou - 0.4 mm, il faudra voir comment cela impacte le recouvrement des modèles.  Par ailleurs la quantité de film nécessaire pour la bonne réalisation du projet semble plus conséquente que prévu. 

En ce qui concerne la colle,  le cube et le rhomboèdre furent enduits de cette dernière puis malmenés pendant 7 jours. Au terme de la semaine, aucun décollement n'était repérable. 

12/04/2023

Les modèles d'entrainements sont tous soient en cours d'impressions soient terminés. Il faudra juste les recouvrir. La découpeuse vinyle ne fonctionne pas. Le logiciel conçu pour communiquer entre la découpeuse et un ordinateur est Graphtec Studio. Cependant, il est impossible de faire communiquer un pc avec la découpeuse. Que ce soit celui d'Alexandre, les ordinateurs portables du Fablab ou bien la tour installée spécialement pour la découpeuse. Pourtant celle-ci fonctionne. Après avoir testé plusieurs logiciels, ils semblent compliqué d'identifier la source du problème. C'est embêtant puisque la découpeuse impacte directement le bon déroulement de notre projet. 

14/04/2023

Une impression en résine fut réalisée jeudi pour les modèles cristallins avec axes et plans miroirs aux bonnes dimensions. De ce fait, leur volume est plus conséquent. En outre, les axes furent épaissis et leurs longueurs raccourcies afin de limiter la casse sur le long terme. 
Malheureusement, nous avons minimisé le volume de résine nécessaire à l'impression. De ce fait, les modèles ont été partiellement imprimé. Pour pallier à cette erreur, un nouveau rendez-vous est fixé à la semaine prochaine. 

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Photo de l'échec d'impression en résine

La pose des éléments de symétries sur le système rhomboédrique est terminée. C'était le seul manquant. 

D'autre part, tout les modèles d'exercices sont imprimés. Il y a au final 7 sets de 7 pièces. 

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Photo de toutes les impressions d'entrainements

Avec Pierre, nous avons discuté des différentes possibilités pour la fabrication de la boite, sous réserve que nous disposions de temps :  
- boite en bois avec couvercle de plexiglass pour voir correctement les modèles,
- mousse prédécoupée reprenant la forme des impressions, 
- noms des modèles gravés sur le plexiglass.

Enfin, comme la semaine dernière, la découpeuse vinyle refuse toujours de fonctionner. Nous allons devoir envisager de faire toutes les découpes à la main. Il va falloir remédier à ce problème au plus tard la semaine prochaine afin de commencer la pose du Velléda. 

Suite à un nouveau rendez-vous au Fablab Chimie, les systèmes cristallins ont été imprimés en résine blanche. Contrairement au premier modèle, nous avons épaissi les axes et accentué les encoches des plans miroirs. Cependant, les modèles ne sont pas parfaits. En effet, on observe des modifications de l'état de surface. Les faces ne sont pas parfaitement tabulaire dus à différents facteurs. Tout d'abord, l'imprimante repose sur une table de laboratoire dans un endroit de passage. Ainsi, les vibrations suscitées par l'environnement ont pu être enregistrées sur certaines couches. De plus, les modèles étant denses (car ils sont pleins), il aurait fallu augmenter la densité des supports pour éviter un affaissement de la matière du à la gravité. Aussi, on peut remarquer des marques de supports à certains endroits des figures. Pour palier à ces imperfections, nous pourrions essayer d'imprimer les modèles sous une hôte qui a la particularité d'absorbé les vibrations que subit l'imprimante. Ou sinon, placer l'imprimante sous une tapis de mousse pour limiter les secousses. Concernant les supports, il faudrait trouver le bon compromis entre des supports peu denses qui ne laisseraient aucune trace sur les modèles et des supports denses qui permettraient un meilleur maintien.

Les modèles si dessous on été placé 2h après impression sur le rebord d'une fenêtre pour qu'ils continuent de se solidifier à l'UV.  

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IV- Projet et résultats finaux

Notre projet avait pour objectif de réaliser des sets pour les étudiants des années suivantes en minéralogie. Ainsi grâce à ces modèles cristallins, les étudiants pourront visualiser et manipuler les différentes mailles cristallines constituants la matières. 

Même si les mailles sans axes existaient déjà, que ce soit en version physique ou bien sur les logiciels. Celles réalisé dans ce projets seront plus adaptés puisqu'elles seront utilisable par plusieurs groupes dans une classe contrairement aux modèles existants qui n'étaient manipulable que par le professeur pour présenter à ses élèves les cristaux. 

Notre travail s'est décomposé en deux parties. Tout d'abord, recréer avec Openscad les différentes mailles cristallines définies par des propriétés géométriques. Pour ce faire, on définit un repère en 3D ayant comme axes les arêtes de longueurs a, b, c du polyèdre. Quant aux angles alpha, bêta et gamma, ils représentent les angles respectivement entre (b,c); (c,a) et (a,b). Les modèles cristallins sont tous des hexaèdres composés de six faces. 

Nom de la maille valeur de la longueurs des axes a,b et c angles entre les axes a,b et c. 
Triclinique a≠b≠c alpha≠bêta≠gamma

Monoclinique

a≠b≠c alpha=gamma=90°≠bêta

Orthorhombique

a≠b≠c alpha=bêta=gamma=90
Hexagonal a=b≠c alpha=bêta=90, gamma=120
Rhomboédrique a=b=c alpha=bêta=gamma≠90
Quadratique a=b≠c alpha=bêta=gamma=90
Cubique a=b=c alpha=bêta=gamma=90

Nous avons remplacé les valeurs des longueurs et des angles caractéristiques du tableaux par les paramètres de mailles de vrais minéraux (voir fichiers stl). 
- Dimensions de la chlorite pour le monoclinique 
- Dimensions de l'andalousite pour l'orthorhombique
- Dimensions du corindon pour l'hexagonal 
- Dimensions de la calcite pour le rhomboédrique 
- Dimensions de la braunite pour le quadratique 
- Dimensions de la fluorite pour le cubique

Dans un second temps, une fois les modèles originaux terminés, nous avons pu coder sur Openscad les éléments de symétries. Les plans miroirs sont modélisés par des fentes (vertes). 

a- Systèmes cristallins classiques

Systèmes cristallins classiques sur Openscad

Système cubique :

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Système orthorhombique : 

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Système quadratique : 

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Système Rhomboédrique : 

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Système hexagonal : 

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Système monoclinique : 

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Système triclinique : 

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b- Systèmes cristallins avec symétries

Pour chacun des systèmes cristallins : 
- Les axes A4 sont modélisés par les losanges 
- Les axes A3 sont modélisés par les triangles
- Les axes A2 sont modélisés par des ellipsoïdes
- Les plans miroirs sont modélisés par des quadrilatères très fins sur chaque facette puis soustrait à la forme cubique initiale (fentes vertes sur la figure ci-dessous).  

Systèmes cristallins avec symétries sur Openscad

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Systèmes cristallins imprimés en résine blanche


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c- Fichiers stl des modèles classiques 

Ces fichiers sont au format stl correspondant au format conforme aux impressions 3D en PLA et en résine.  

Fichiers stl des modèles classiques

cubique_dim_fluorite.stl

hexagonal_dim_corindon.stl

monoclinique_dim_chlorite.stl

orthorhombique_dim_andalousite.stl

quadratique_dim_braunite.stl

rhombo_dim_calcite_v2.stl

triclinique V2.stl


d- Fichiers stl des modèles avec symétries

Fichiers stl des modèles avec symétries

monoclinique_correction.stl

Symétrie_orthorhombique_correction .stl

tiers_d'hexagonal_correction.stl

hexagonal_correction.stl

Symétrie_quadratique_correction .stl

Symétrie_cubique_correction.stl


e- Fichiers gstudio des patrons 

fichier découpeuse vinyle

rhomboèdrique + triclinique + quadratique + monoclinique qui marchent.gstudio

orthorombique.gstudio 

cube.gstudio 

hexagonale.gstudio

V- Annexe : Logiciels et machines utilisés
logiciels et machines utilisés
Openscad

Il s'agit du logiciel sur lequel nous avons passé le plus de temps. 

Ce logiciel permet de créer, de visualiser et d'exporter au bon format les objets à imprimer. 

Pour cela, il faut rentrer, sous forme de code, les instructions. Il existe une page dans le mode d'emploie du logiciel avec des aides pour les débutants.

Openscad est le logiciel permettant la création des modèles à imprimer dans les imprimantes 3D. Il permet entre autres d'exporter les fichiers au format stl qui est le format lu par les logiciel de mise d'adaptation pour les imprimantes. 

Openscad marche sous la forme d'un éditeur de code. Le langage utilisé est le C++. Afin de bien prendre en main les commandes au début, les développeurs ont créer une page "cheatsheet" qui permet de prendre en main les commandes les plus simples, utiles et pratiques rapidement. Le logiciel permet aussi de faire des vrais programmes avec des boucles, des fonctions mathématiques, etc... mais nous n'avons pas eu besoin d'utiliser cet aspect du logiciel. 

IdeaMaker

Il s'agit de l'un des deux logiciels d'adaptation des fichiers stl pour les imprimantes. Celui-ci est gratuit  ainsi que développé par la société ayant fournis le Fablab prototypage. Il est a utiliser pour les imprimantes en 3D PLA.  

Lorsque que le fichier stl est créé, il faut ensuite, le rendre compatible avec l'imprimante. Le logiciel connais les dimensions de celle-ci afin de ne pas dépasser de l'imprimante. Ensuite, il faut réaranger sur le plateau la disposition des modèles pour éviter les chevauchements notamment. Parfois l'ajout de support est nécessaire pour maintenir la pièce. Comme les imprimantes n'utilise qu'un seul fil continu, il est important de veiller à toutes ses œuvres. Si l'une est ratée, l'erreur se propagera partout.  Par défaut, les pièces sont imprimé sur un socle. En fonction de la solidité de celles-ci, de leur taille et de leur forme, il est possible d'adapter son socle. Ce logiciel permet aussi de redimmensionner les imprissions pour gagner du temps ou pour respecter les dimensions de l'imprimante. Enfin, il permet de choisir la qualité de son impression. En effet, en PLA, plusieurs qualités sont disponibles. Elles sont à choisir en fonction du temps disponible puisqu'il s'agit avant tout de la taille du fil utilisé. Une meilleur impression aura un film plus petit. Cela peut également jouer sur le remplissage de la pièce afin de la rendre plus lourde ou plus solide. 

Impression 3D en PLA

Les imprimantes ayant servis à créer les modèles d'entrainements sont des imprimantes Raise3D Pro 2 (FDM). Elle fonction avec le dépôts d'un filament, de l'acide polylactique pour nous. 

Une fois le modèle créer avec Openscad et adapté à l'aide d'IdeaMaker, l'imprimante peut faire son œuvre.

Afin d'augmenter les chances de réussite de l'impression, il est vivement conseillé de surveiller le début d'impression de l'objet souhaité. Le PLA est disponible en plusieurs couleurs, et si le projet l'avait nécessité, nous aurions pu utilisé d'autre matière.  Il est a noter que les impressions échouent régulièrement. Il y a déjà une légère dilatation du filament parfois. Ensuite, si les modèles n'ont pas été bien préparer, si ils sont trop proches ou les supports mal mis, toute l'impression sera à refaire. Ainsi, il faut être patient pour utiliser ce matériel qui, bien que très pratique, reste capricieux. 

Impression 3D en résine

Les systèmes cristallins avec symétries ont été imprimés à l'imprimante résine ELEGOO Saturn. Cette méthode d'impression a l'avantage d'imprimer précisément des objets avec des formes complexes. 

L'imprimante fonctionne en exposant la résine liquide photosensible couche par couche à un faisceau laser UV. Au contact de l'UV, la résine se solidifie pour former le modèle souhaité. Il faut noter que l'impression résine requière un traitement une fois les objets imprimés. En effet, si ce traitement n'est pas réalisé rapidement, les résidus de résine inutilisés continuent de polymérisés dans le bac d'impression (ce qui abime le matériel). 

Il faut également veiller à mettre un peu plus de résine dans le bac d'impression que le volume indiqué par Chitubox afin d'être sûr que les objets soient imprimés entièrement. 

Découpeuse vinyle

Plotter de découpe Graphtec Cutting Pro série 9000

Il s'agit de l'appareil le moins enclin à être utilisé. Il nous fallu près d'un mois pour comprendre que seul les MacBook fonctionnaient dessus. 

En temps normal, il faut tout d'abord disposer son film dans l'appareil puis ajuster les têtes servant à le maintenir. Une fois cela effectué, et la zone de démarrage choisi pour la découpe. Il suffit, dans la théorie, de brancher son ordinateur avec le logiciel Graphtec Studio pour faire le dessin de la découpe et l'envoyer à la machine. Ensuite on récupère le film découper. Il faut noter que la force et la vitesse de la lame doivent être régler en amont afin de ne pas abimer le film. D'ailleurs, pour le notre, tout le papier ne devait pas être tranché. Juste la partie supérieur. Ensuite, il faut le décoller de la partie protectrice du film et enfin faire la pose. 

Cutter à ultra-sons C'est un couteau améliorer. La lame envoie des ondes ultra-sons permettant une découpe sans forcer sur des surfaces peu pratiques à découper avec un cutter classique. Cependant, l'appareils chauffe très vite, il ne faut pas laissé la lame activé trop longtemps. De même il faut faire attention puisqu'il coupe des matériaux résistant comme le métal. 
Chitubox

Chitubox est un logiciel d'adaptation des fichiers stl pour les impressions 3D en résine. C'est un slicer qui permet de convertir un fichier stl en une série de fines couches lisibles par l'imprimante ELEGOO Saturn. 

Sur le même principe que le logiciel IdeaMaker, le logiciel permet de générer des supports pour maintenir les objets pendant l'impression. Le logiciel renseigne des dimensions de l'imprimante afin que nos modèles soient bien positionnés sur la plateau d'impression. Il est également possible de modifier le temps d'exposition de chaque couche à l'UV.

Cependant, à la différence d'IdeaMaker, il est important d'incliner les objets à imprimer afin que le moins de surface de l'objet ne touche le support d'impression. En effet, plus la surface de contact entre l'objet et le plateau est grande et plus il sera difficile de décoller les pièces et par conséquent plus il sera facile de les abimer. 

Graphtec Studio

C'est le logiciel permettant de créer les formes pour la découpeuse vinyle. Il s'agit de dessin vectoriel. Le logiciel est pratique d'utilisation et intuitif. Il suffit ensuite de relier son ordinateur à la découpeuse pour obtenir le rendu souhaité. Il est possible de régler dessus les caractéristiques de forces, vitesses, et profondeurs de la lame par l'intermédiaire de ce logiciel en fonction du film insérer. 

Microscope Keyence

C'est un microscope de recherche utilisé par M. Labrousse dans le cadre de son travail. Il nous a permis de visualiser les impressions résines et de faire des topographies. Il est relié à un ordinateur et il est presque entièrement contrôler par celui-ci. Il est plus puissant que les microscopes traditionnel puisque sa résolution est de l'ordre du micromètre. 


VI- Bibliographie 

BibliographieCours en ligne de cristallographie géométrique : SYMCRIS

Cours de Matériaux inorganiques LU3CI013