Moules Numériques -- Au delà de l'impression 3D : Benjamin Peters à TEDxBeaconStreet

Un moule reconfigurable à commande numérique est un appareil souvent vu dans la science-fiction. Comme le jouet artistique à aiguilles, un moule numérique est constitué d'une matrice dense d'aiguilles parallèles, se déplaçant rapidement et pouvant générer n'importe qu'elle forme de surface souhaitée. Réalisant les avantages potentiels qu'un tel dispositif pourrait avoir pour la fabrication et le prototypage, Ben a développé une technologie qui rend possible un moule numérique à faible coût, et haute résolution.

Benjamin Peters est un doctorant au département de génie mécanique du MIT, axé sur le développement de nouvelles technologies de fabrication numérique pour permettre des fabrications à grande échelle et à bas coût.

Bon, commençons par parler
des imprimantes 3D.

Une imprimante 3D ressemble à
une imprimante,

mais en 3D.

(Rires)

Pas ce genre de 3D.

Plutôt cela.

L'impression 3D se rapporte à une
technique de fabrication

par ajout de matière, qui construit
les objets couche par couche

en partant de rien

pour se retrouver avec
un objet physique terminé.

Une exagération courante

assimile l'imprimante 3D au
« réplicateur » de Star Trek,

vous pouvez tout faire.

Même si vous pouvez fabriquer
des géométries très complexes

avec un large éventail de matériaux,

comme des plastiques, des poudres
et des métaux,

l'impression 3D a ses limites.

C'est pourquoi il y a tant
de types d'imprimantes 3D.

Il en existe de nombreuses
variétés différentes,

utilisant différentes techniques
d'ajout de matière,

qui toutes relèvent du domaine
de l'impression 3D.

La vraie magie de l'impression 3D

n'est pas d'être
un « réplicateur » façon Star Trek.

C'est la façon dont nous les utilisons.

Une imprimante 3D est utilisée
par les concepteurs

pour générer leurs pièces
dans le monde réel.

Ainsi, vous pouvez prendre une conception,

l'envoyer à l'imprimante,
et elle l'imprimera pour vous.

Et vous pouvez tenir ces pièces
dans vos mains,

faire des modifications,
changer votre conception

et imprimer une nouvelle pièce.

Elle est ainsi utilisée
pour de la conception itérative,

et vérifier les pièces
dans le monde réel.

C'est donc un outil très utile.

Un inconvénient de l'impression 3D,
c'est que c'est un processus assez lent.

Voici donc une mignonne
petite coupe imprimée en 3D,

ici sur la gauche,
avec une paille intégrée.

Plutôt pas mal !

Il faut à peu près le même temps
pour l'imprimer

ou la fabriquer que ces
gobelets en plastique

ou une centaine de paquets de
cinquante gobelets, soit 500 gobelets.

C'est donc à peu près
le même temps de fabrication,

et c'est une estimation basse.

Donc, ce processus par ajout de matière
couche par couche est plutôt lent

comparé aux
techniques industrielles de formage.

J'ai commencé à m’intéresser
à l'impression 3D

quand j'étais en dernière année au MIT.

Je voulais faire une imprimante

très rapide et vraiment pas chère,

qui pourrait utiliser
un large éventail de matériaux.

Je fus donc déçu
de constater

que ces objectifs étaient

ceux pour lesquels toute l'industrie
de l'impression 3D travaillait déjà.

(Rires)

J'ai donc décidé d'utiliser
une approche différente

si je voulais avoir un impact
significatif dans ce domaine.

J'ai un peu regardé les tendances
qui existent sur le marché

des outils de fabrication

et vous pouvez les placer
sur ce graphique ici,

où l'on voit que la flexibilité
et la vitesse d'un procédé de fabrication

sont inversement proportionnels.

Ainsi, l'impression 3D sur la gauche,
est très flexible mais plutôt lente,

tandis que le moulage par injection,
pour faire des Lego est très rapide,

mais ne peut produire que les pièces
pour lesquelles le moule a été conçu.

Et je recherchais quelque chose
qui serait à la fois rapide et flexible.

Au lieu d'une percée technologique,

qui engendre un bond en avant,
j'ai déniché

un domaine peu connu appelé
outil reconfigurable à aiguilles

dont vous n'avez probablement
jamais entendu parler.

L'idée est d'avoir un lit d'aiguilles

qui sont réglables en hauteur

et avec ces aiguilles,

vous pouvez générer une surface
utilisable pour le moulage

ou pour d'autres applications,

ceci vient de la science-fiction,
ce n'est pas réel.

(Rires)

J'ai cependant été surpris de
découvrir des faits intéressants.

Voici le premier brevet
pour l'outil reconfigurable à aiguilles,

en 1863, c'est-à-dire il y a 150 ans.

En comparaison avec l'impression 3D,

le premier brevet en impression 3D
date de 1984,

c'est-à-dire il y a 29 ans.

Mais si l'outil reconfigurable à aiguilles
est une idée si sympa et si ancienne,

pourquoi n'y a t-il pas
d'outil reconfigurable à aiguilles ?

Alors que tant d'imprimantes 3D
sont présentes sur le marché.

Eh bien, il se trouve
qu'elles sont très difficiles à fabriquer.

Voici un jouet artistique
à base d'aiguilles,

vous avez probablement
déjà vu ça quelque part.

C'est l'exemple classique
de l'outil reconfigurable à aiguilles.

Et si je devais le rendre
reconfigurable électroniquement

je devrais placer un moteur
derrière chaque aiguille, n'est-ce pas ?

Et il y a environ mille aiguilles
rien que sur ce petit jouet de bureau.

Et mille moteurs, ça fait beaucoup

et c'est un vrai défi technologique.

Vous avez probablement ou
vous pourriez avoir vu cette vidéo

qui est sortie
la semaine dernière

C'est un exemple sympa de dispositif
de démonstration à aiguilles

que certains de mes amis
ont réalisé au media lab du MIT.

Et ce dispositif est
actionné individuellement,

ce qui veut dire que chaque aiguille
possède son propre moteur.

Il y a 900 aiguilles
sur une résolution de 3 pouces,

et il a été utilisée
pour une interface haptique

et pour rendre des services expérimentaux.

Donc, si je voulais une surface à haute
résolution pour l'utiliser en moulage,

pourquoi ne puis-je pas utiliser cela ?

Pourquoi ne puis-je pas rendre
cette surface en ultra haute résolution ?

Les maths ! Voilà pourquoi.

(Rires)

Les maths sont contre moi sur ce coup.

Quand j’augmente la résolution,

j'obtiens ce facteur d'échelle
quadratique pour la surface,

longueur fois largeur égale surface,

et c'est un terme non-linéaire.

Ainsi, pour obtenir de la haute résolution

ça devient un problème très compliqué.

On a un nombre énorme
d'aiguilles à contrôler,

un nombre de moteurs gigantesque,

ça devient juste
complètement irréalisable,

et tout s'effondre.

Confronté à ce désespoir,

j'ai décidé d'en faire le sujet
de mon master et de ma thèse !

(Rires)

Une thèse de premier cycle.

Et je planche sur le sujet
depuis trois ans maintenant.

Et j'ai développé
un certain nombre de techniques

pour actionner les aiguilles
et les déplacer.

Voici quelques prototypes,

j'ai reçu une récompense
pour l'un d'entre eux,

c'est pour ça que je suis ici,

parce que j'ai été repéré pour ça.

j'étais déçu par la plupart
d'entre eux jusqu’à présent.

Jusqu'à tout récemment, et c'est un peu

de ça que je voulais
vous parler aujourd'hui.

J'ai donc eu une idée intéressante

alors que je travaillais
sur un projet différent,

pas le projet
« outil à aiguilles reconfigurables »,

mais je travaillais sur une machine

qui avait beaucoup
de vibrations à l'intérieur

et ce qui s'est passé, c'est que tandis
que je fixais une pièce sur cette machine,

les vis dans cette partie
n'arrêtaient pas de se desserrer.

Au début, c'était très frustrant,

mais ensuite j'ai réalisé
qu'en fait je pourrais utiliser

ce modèle de vibration
pour faire tourner les vis,

ce qui est un vraiment bon moyen
d'obtenir une action linéaire.

Donc, un déplacement le long de son axe.

J'ai donc décidé d'appliquer cela à
l'outil reconfigurable à aiguilles.

Et voilà.

En fait, ça marche plutôt bien.

C'est un ensemble de vis,

auquel on applique un modèle
spécifique de vibrations,

qui provoque, pour les vis sélectionnées
dans la matrice,

une rotation pour sortir et une rotation
inverse pour rentrer également.

Et voici comment ça marche :

C'est un schéma de l'actionneur.

Nous avons des déboîtements dans
la matrice carrée de vis

et si la vous déboîtez
de la manière appropriée

autour de la vis que vous voulez tourner
et vous la réinitialisez,

vous obtenez un couple non linéaire
appliqué à l'une des vis,

et vous obtenez le mouvement,
c'est plutôt sympa.

Et la chose la plus sympa, c'est que
les seuls moteurs

dont vous avez besoin pour cette matrice
sont pour les pièces du bord.

Pour les bords l'échelle est toujours
linéaire avec la résolution

par comparaison au nombre d'aiguilles

augmentant avec
cet énorme terme quadratique.

Et toutes ces aiguilles sont en fait
comme des petites vis.

Les vis sont bon marché,

et vous pouvez avoir des actionneurs
linéaires bon marché pour les bords

pour la vibration.

Et ça marche vraiment bien
à haute résolution

parce que le ratio devient
de plus en plus grand

quand vous augmentez la résolution.

Le ratio entre les termes linéaires et
les termes quadratiques dans la matrice.

Vous êtes encore avec moi ?

(Rires)

Donc, après avoir fini ce projet,

je suis vraiment confiant

maintenant plus que
je ne l'ai été par le passé,

que cette surface à aiguilles HD
pourrait devenir une réalité,

et vous pourriez bien voir
l'une d'entre elle sur votre bureau,

y télécharger un fichier

qui reconfigurait sa surface

en une surface arbitraire
que vous auriez trouvée en ligne

et vous l'utiliseriez
comme un outil de conception

parce que vous pourriez
l'utiliser comme un moule

au lieu d'imprimer des objets 3D
couche par couche

ou, aussi bien, en association
avec une imprimante 3D.

Il s'agit donc d'un proche parent de
l'impression 3D

plutôt que d'un outil de remplacement.

Et voilà une sorte d'argumentaire,

le moule digital comme nouvel outil

pour aider à former
et transformer le futur

de la fabrication personnelle.

Et voilà.

(Applaudissements)