FablabSU

Nous effectuons dans un premier temps un travail de documentation sur le fonctionnement général d’un titrimètre, puis sur sa composition en particulier (comment est-il alimenté, automatisé, comment sont reliées les seringues à la cuve, comment détecter le changement de couleur, etc). Nous faisons un inventaire des pièces disponibles au FABLAB, et commandons les autres (tuyaux transparents). Après un mois de recherches, nous réalisons la contrainte suivante : le titrage doit être à échelle réduite (pour des volumes très petits). L’objectif est donc de concevoir un titrimètre miniature. Cette nouvelle bouleverse quelque peu nos plans, car le principe diffère des titrages manuels auxquels nous sommes habitués. En effet, le barreau aimanté n’a plus d’utilité, les deux solutions sont injectées en même temps, à des débits (variables au cours du temps et indépendants l’un par rapport à l’autre), au sein d’un circuit d’écoulement où elles se mélangent. Les valeurs correspondant à la couleur de la solution sont alors relevées en continu, et le système s’arrête automatiquement quand s’opère le changement de couleur. Le volume à l’équivalence est ensuite indiqué sur un écran LCD. Afin d’éviter de se disperser, Alexandra réalise un diagramme de Gantt précisant les tâches individuelles à accomplir.

Jérémy se concentre sur la recherche d’un motorshield dont la vitesse de pas est programmable sur arduino. En effet, l’objectif est de relier celle-ci au débit des solutions, en associant le mouvement rotatif du motorshield à celui, rectiligne, du piston. Jérémy rencontre de nombreuses difficultés comme par exemple un moteur qui réagit au code mais ne fait que des allers-retours sur un pas (3 + 4)… Avec l’aide de Mathieu, il réussit à faire fonctionner le moteur grâce à un nouveau code. Cependant, il nous faut absolument deux moteurs identiques programmés sur une même carte (puisque nous avons deux solutions à faire réagir), avec des vitesses indépendantes… Et le moteur actuel semble être en exemplaire unique au FABLAB. Il y a également un risque que l’extrémité de cet arbre moteur (sorte de butée au bord de l’engrenage) gêne plus tard le système de pousse-seringue. Il reste donc à trouver deux motorshields identiques et à les programmer sur une même carte.


Pendant ce temps, Mathilde et Mathieu se penchent sur la photorésistance. Cette partie du projet est délicate car la différence de valeur d’intensité lumineuse détectée au changement de couleur doit être suffisamment importante. Ils réalisent plusieurs tests comportant trois éclairages à intensité croissante, avec pour chaque éclairage la même opération : la lumière est découverte, puis tamisée par un papier non plié, puis plié en 2, en 3 et enfin en 4. Les valeurs relevées à partir d’une photorésistance de 1kO programmée sur une carte Arduino Uno démontrent que plus l’éclairage initial est important, plus la différence entre les mesures est importante. La solution doit donc être éclairée avec une intensité la plus importante possible. De plus, en comparant les valeurs affichées par différentes photorésistances du FABLAB, ils en déduisent que plus la résistance d’une photorésistance est élevée plus le signal rendu est stable, mais les variations sont plus faibles. Inversement, plus la résistance est faible, plus le signal est instable donc incorrect.
En cherchant d’autres photo recepteurs possible, l’attention de Mathieu est retenue par deux éléments : le photo transistor et la photodiode. Après avoir réitéré l’expérience précédente avec une photodiode trouvée au FABLAB, le signal est tout de suite plus stable qu’avec la photorésistance. Elle est donc choisie pour le montage final.


Parallèlement, Alexandra et Fabien se chargent de l’écran LCD, l’objectif étant qu’il affiche le volume à l’équivalence. Ils recherchent les différents branchements sur internet, programment l’écran afin qu’il affiche un message donné, et réalisent le montage. Il est complexe de par la multitude de ses branchements, d’autant plus qu’un potentiomètre a été ajouté (le programme initial a donc été légèrement modifié). Ils soudent ensuite les composants.


Toujours dans l’optique de trouver la source lumineuse idéale pour le projet, Mathieu compare l’efficacité d’un laser avec celle d’une led. Il en résulte que le laser est bien meilleur, car son faisceau lumineux peut être directement orienté sur la photodiode. Jérémy élabore ensuite un programme afin que celle-ci puisse afficher des valeurs. Puis, afin de tester son efficacité en conditions réelles, Mathilde et les deux garçons prennent rendez-vous au laboratoire de chimie auprès de la responsable Mlle Winh TEH, munis d’un protocole de titrage Acido-Basique, du laser et de la photodiode reliés à un programme Arduino. Ils y réalisent le titrage d’un acide fort, l’acide Chloridrique HCl par une base faible, l’Ammoniaque NH3 (concentrations = 0,10 mol/L). Le choix de l’indicateur coloré se porte sur l’hélianthine (ou méthylorange), dont la zone de virage est de 3,2-4,4.
Très vite, ils découvrent au laboratoire l’existence du bleu de bromophénol, dont la zone de virage est quasi identique à celle de l’hélianthine, et qu’ils estiment plus judicieux d’utiliser. En effet, il fait virer la solution du jaune (acide) au violet (basique), tandis que le méthylorange la fait passer du rouge (acide) au jaune (basique). Or, on sait que la photodiode n’est pas sensible à un changement de couleur, mais à une variation d’intensité lumineuse. Le laser, en passant à travers la solution, va en modifier la couleur en agissant comme un filtre, et la photodiode perçoit donc une variation de d’intensité lumineuse minime si la solution passe du jaune au rouge (solution jaune + laser rouge = orange à la sortie, et solution rouge + laser rouge= rouge à la sortie → variation peu importante).
Néanmoins, si la solution passe du jaune au bleu, la photodiode détecte une variation beaucoup plus importante (solution jaune + laser rouge = orange, mais solution violette + laser rouge = noir à la sortie → Variation d’intensité lumineuse bien plus importante). Après avoir réalisé le titrage avec du bleu de bromophénol, ils prélèvent un échantillon de la solution jaune (avant réaction), et un de la solution violette (à l’équivalence). Ils installent le laser et la photodiode de part et d’autre des échantillons, dans une pièce plongée dans le noir total. Le résultat est décevant : le laser sature la photodiode et la différence est imperceptible, les valeurs pourraient être confondues avec une incertitude de mesure plutôt qu’à un changement de couleur.


Mathieu réfléchit alors à l’utilisation d'un AOP (Ampli Op) pour réduire le signal émis par la photodiode. Mais après réalisation du montage, la tension est amplifiée négativement. L’arduino, qui ne prend pas en compte les tensions négatives, affiche alors “ 0”. Face à la complexité du montage, le professeur demande à Mathieu de trouver une autre solution. Il se repenche donc sur le laser et met en place des tests afin d’atténuer le faisceau lumineux en le faisant passer à travers différents volumes de solution. Il détermine alors que la solution doit passer au sein d’un serpentin (pour intensifier la couleur) de 5 à 6 cm de longueur. Puis, il utilise un polarisateur qui diminue l’intensité lumineuse du laser. Il sera possible de rajouter celui-ci dans le montage final, ce qui nous laisse une marge de manœuvre pour « ajuster » légèrement l’intensité lumineuse en fonction du débit, etc.


Puis, Jérémy se questionne alors sur la possibilité d’utiliser soit deux moteurs pas-à-pas avec 2 entrées pour garder le même motorshield Arduino ayant 4 entrées, soit deux moteurs avec 4 entrées, impliquant un nouveau type de shield possédant 8 entrées. Pendant ce temps, Fabien et Mathilde font la connaissance de Royce, et lui expliquent leur recherche de deux moteurs identiques programmables en même temps. Il propose gentiment de leur prêter les siens, programmables sur arduino mais de shield Adafruit. Il est donc nécessaire de trouver un type de code arduino différent, adapté à ce type de shield. Jérémy reprend donc le codage à zéro (le code proposé par Royce ne convient pas dans notre situation). Les deux moteurs fonctionnent maintenant grâce un code, mais leur vitesse ne varie pas malgré le fait qu’il change les valeurs adéquates dans la fonction. Jérémy effectue de nouveaux tests afin de faire varier la vitesse des moteurs. (12 + 14) Avec l’aide de Danny SAUVAL (un étudiant peip en ARE robotique), il réussit à créer un nouveau code pour faire varier la vitesse et pouvoir augmenter celle-ci au bout de x pas puis encore au bout de x autres pas etc.


Fabien et Mathilde travaillent sur un système de pousse-seringue afin de lier les moteurs pas à pas aux seringues. Ils dénichent au FABLAB deux engrenages et leurs courroies associées. . Etant donné que le diamètre intérieur des engrenages est supérieur à celui du motorshield, Fabien conçoit une pièce comportant un trou du diamètre du motorshield. Le but est de le visser sur l’engrenage, afin d’ajuster le diamètre intérieur de l’engrenage à celui du moteur.
Cependant les pièces sont petites, l’assemblage est fastidieux, et au final les engrenages sont fixés aux moteurs grâce à du ruban adhésif. Mathilde sectionne ensuite les courroies et les colle sur des tiges en métal rigides, tandis que Fabien modélise un autre type de pièce en forme de fourche sur Openscad. Elle permet de fixer une extrémité des tiges aux pistons des seringues. Lors de la présentation orale de mi-projet (où le support visuel a été réalisé par Alexandra), les professeurs ont souligné l’instabilité de ce système. En effet, la force exercée sur les pistons est relativement importante, la distance entre ceux-ci et les moteurs l’est également, et nos tiges risquent de se déplacer puisque les moteurs exercent une force transversale. Sachant qu’on ne peut pas fixer des guides de part et d’autres des tiges si on veut limiter les frottements.
De plus, il est préférable que les seringues soient à usage unique, donc on ne peut pas les fixer au système. Mathilde a alors imaginé un nouveau système composé de glissières à billes (des guides à queues d’arondes auraient aussi pu aussi être utilisés), sur lesquelles sont collées les courroies à la colle néoprène (car 2 matériaux différents). De cette façon, les moteurs sont fixés de profil sur le support, et leur force s’exerce directement sur la plaque donc l’ensemble est parfaitement stable. Au départ, La partie supérieure des coulisses, fixées au support vertical, est remontée à son maximum. Les seringues remplies sont enfoncées dans une plaque de mélange horizontale, et plaquées au support vertical grâce à des colliers (on se passe des tuyaux, qui ne sont jamais arrivés). Le piston bute alors contre la coulisse. Puis les moteurs font descendre la partie supérieure des coulisses pas à pas, et donc les pistons, et les solutions se déversent dans la plaque de mélange. A la fin, les moteurs tournent en sens inverse pour remonter les coulisses.


Reste alors à modéliser la plaque de mélange, qui sera fabriquée dans du plexiglas transparent. Mathilde dessine le tracé de la gravure de la plaque sur Openscad, et rejoint Alexandra au FABLAB, où elles rencontrent quelques difficultés. En effet, les étudiants présents leur expliquent que pour lancer la gravure, il faut pouvoir différencier les deux profondeurs différentes (celle correspondant à la gravure, et celle correspondant à la découpe de la plaque pour y insérer le capteur et la photodiode, de part et d’autre du serpentin). Après avoir réécrit l’algorithme en ajoutant un axe Z (toutes les fonctions sont modifiées), elles se rendent compte que de toute manière, Openscad « applatit » automatiquement tous les fichiers en 2D en les exportant… Il est donc préférable d’utiliser un logiciel comme Solidworks pour graver une plaque ! La gravure enfin lancée, cela représente une expérience car personne n’a véritablement évalué auparavant la distance à laquelle le laser s’arrête dans une plaque. Au final, il faut lancer la graveuse 4fois pour obtenir 1mm de profondeur.
Puis, elles découpent une nouvelle plaque de même taille que la première, et la percent de 2 trous à l’entrée des gravures, afin que les seringues s’enfoncent légèrement dans la plaque. Mathilde ajoute un joint de salle de bain à environ 1cm du contour de la gravure, plaque les deux plexiglas l’un contre l’autre (le joint s’étale), et les visse ensemble. Un trou d’évacuation de l’épaisseur des tuyaux récupérés au labo de physique est créé.


Enfin, chacun participe au montage. Fabien et Alexandra dessinent et impriment en 3D des pièces supportant les moteurs, sortes d’étagères, qu’ils fixent sur la plaque, Mathieu et Mathilde construisent un support en T, et fixent la plaque en plexiglas sur une boite en carton, à l’intérieur de laquelle on place un récipient d’évacuation. Fabien se rend au laboratoire de chimie pour réaliser un titrage afin d’obtenir des solutions colorées. Jérémy réalise les branchements, pendant que Mathieu fabrique un banc de piles (6×1,5V) à l’aide de pièces en plexiglas découpées à la graveuse et fils de fer, pour une alimentation autonome.





Pour conclure, nous pensons avoir relevé le défi d’élaborer un titrimètre qui fonctionne en théorie, puisque nous avons creusé chacun de ses composants séparément, en les liants les uns aux autres. Il nous manque en revanche un algorithme global, formé de tous nos programmes, qui rendrait le titrimètre automatique en classant toutes les fonctions par ordre d’apparition (certaines seraient simultanées, avec la présence de boucle while notamment avant que la photodiode détecte le virage). Ceci est assez complexe, d’autant plus que la captation du changement de couleur par la photodiode doit enclencher l’affichage du Volume à l’équivalence sur l’écran LCD et l’arrêt des moteurs. Il nous reste également à mettre en place des phases de tests du titrimètre en conditions réelles, avec deux solutions données, pour vérifier sa fiabilité.


Nous avons vécu cet ARE FABLAB comme une expérience enrichissante qui nous a permis de d’expérimenter de nouveaux outils dans un cadre propice à l’apprentissage en autonomie. Nous avons apprécié d’avoir des dirigeants à l’écoute et prêts à nous conseiller, ainsi que la variété du matériel mis à notre disposition. Partir d’une feuille blanche pour aboutir à un projet de groupe défendable implique des étapes de conception, de réflexion face à des contraintes, la recherche de solutions pour prévenir/lutter contre les difficultés rencontrées, et la nécessité d’organiser un planning face à un délai, ce qui représente un aperçu du métier d’ingénieur.