Labalek (Imprimante 3D sur Mesure)

Labalek est un écosystème complet et propriétaire que j'ai créé pour le développement d'une imprimante 3D résine personnalisée. Le projet combine l'ingénierie mécanique, l'électronique et la programmation de micrologiciels (firmware) de bout en bout.

Pour organiser le développement, l'architecture du projet a été divisée en dépôts spécialisés au sein de l'organisation Labalek sur GitHub.

💡 L'Idée et le Développement

Tout a commencé en collaboration avec deux amis. Nous utilisions une imprimante FDM de type Delta et nous avons commencé à réfléchir au développement d'une imprimante DLP (à résine). De cette idée est née l'ambition de fabriquer une imprimante imprimée : nous voulions produire le maximum de pièces structurelles et mécaniques en utilisant l'impression 3D elle-même, tout en limitant au maximum les coûts de fabrication.

Après avoir étudié la faisabilité, nous sommes arrivés à la conclusion qu'une imprimante DLP fonctionnelle pouvait être contrôlée efficacement par un matériel simple et très accessible :

• Un microcontrôleur ESP32-WROOM.
• Un lecteur de carte Micro SD pour charger les fichiers d'impression.
• Un moteur pas à pas Nema 17 (avec son pilote correspondant).
• Deux écrans : un écran LCD TFT de contrôle pour l'interface utilisateur, et un écran LCD haute résolution utilisé sans rétroéclairage servant de masque pour le système de projection d'image (initialement prototypé avec l'écran Wanhao D7 2K, mais ensuite abandonné).

Ces composants sont peu coûteux, simples à programmer et extrêmement faciles à trouver sur le marché maker, prouvant qu'il est possible de concevoir des systèmes de matériel embarqué complexes sans budget exorbitant.

⚙️ Spécifications Techniques et Fonctionnement

Sur la base du Cahier des charges officiel du projet (disponible en PDF ci-dessous), l'imprimante a été conçue selon les principes suivants :

• Principe MSLA (Stéréolithographie Masquée) : L'imprimante utilise le procédé MSLA/DLP. La lumière UV est projetée à travers un écran LCD (comme l'écran Wanhao D7 2K dans le prototype initial, dont le rétroéclairage a été retiré) servant de masque optique actif. En contrôlant la transparence de chaque pixel de l'écran, le système laisse passer la lumière de manière sélective pour solidifier des zones précises de la résine liquide photosensible. Note : L'écran Wanhao D7 2K a ensuite été abandonné dans le projet final car le connecteur plat FPC de 50 broches était extrêmement fastidieux et difficile à souder manuellement, et les cartes contrôleurs requises étaient trop coûteuses.
• Qualité Sub-pixel (Grayscale du MIT) : Afin d'améliorer la qualité géométrique et d'atténuer l'effet d'escalier (aliasing) sur les bords de chaque couche projetée, un algorithme d'interpolation en niveaux de gris (grayscale) basé sur des recherches du MIT a été implémenté. Cette méthode permet de moduler l'intensité lumineuse au niveau des sous-pixels, atteignant une précision de contour équivalente à un demi-pixel, ce qui lisse considérablement l'état de surface des pièces imprimées.
• Interface Tactile Dual Screen : Le système gère deux écrans physiques simultanément : un écran LCD TFT de contrôle (géré par le pilote ILI9325D) servant d'interface utilisateur tactile pour la sélection de fichiers, le calibrage du plateau et le suivi des journaux de debug ; et l'écran de projection LCD qui sert uniquement de masque optique (obturateur) pour l'impression.
• Contrôle de Sécurité : Des capteurs vérifient que le couvercle de l'imprimante est bien fermé avant d'allumer les LEDs UV afin de protéger l'utilisateur des radiations nocives.

🔌 Protocoles de Communication

• GPIO : Gère les micropas du moteur Nema 17, les capteurs de fin de course (endstops), le contrôle de la ventilation et les interruptions de sécurité du couvercle.
• MIPI DSI / I2C : Protocole I2C pour communiquer avec l'écran d'interface, et bus vidéo pour l'écran de projection LCD 2K.
• SPI : Bus haute vitesse pour la lecture stable et rapide des fichiers 3D d'impression depuis deux ports pour cartes SD (un interne et un externe).
• UART : Interface série pour la liaison avec l'ordinateur, le téléversement du firmware et les ports dédiés au debug.

🎛️ Conception Hardware de la Carte Mère (PCB)

Nous avons conçu une carte mère dédiée sur mesure, optimisée et compacte :

• Dimensions : Un format carré compact de 110 mm x 110 mm.
• Alimentation : Double rail d'alimentation 5V et 12V pour alimenter le microcontrôleur, l'écran de projection et la matrice de LEDs UV.
• Fonctionnalités Intégrées : Convertisseur USB-UART embarqué, boîte de diagnostic rapide par LEDs, sorties GPIO étendues (PWM) et connecteurs physiques de test.

📊 Liste de Matériel (BOM)

Le développement de l'imprimante a connu plusieurs itérations. Pour réduire les coûts, nous avons opté pour l'impression 3D pour tout ce qui était possible. Vous trouverez ci-dessous la réalité détaillée des pièces mécaniques/structurelles achetées par rapport aux composants électroniques de la carte mère (Motherboard).

1. Pièces Mécaniques et Structurelles (AliExpress et Lojas Maker)

Pour économiser sur le projet, nous avons éliminé les profilés métalliques, les supports et les équerres en aluminium, en imprimant le tout en 3D. Le coût des pièces mécaniques essentielles et des matières premières utilisées s'élève à 58,64 € (y compris le coût des filaments consommés, et hors éléments marqués comme inutiles/abandonnés) :

2. Composants Remplacés (Alternatives Imprimées et DIY)

Pour réduire le coût final de fabrication, les composants commerciaux suivants ont été remplacés par des pièces imprimées en 3D ou des solutions faites maison :

• Châssis / Profilés en Aluminium 2020 (Économie de 17,76 €) : Nous avons remplacé les profilés en aluminium (9,31 €), les équerres de fixation (2,80 €) et les écrous T-Nuts (5,65 €) par un châssis structurel entièrement conçu et imprimé en 3D en PLA.
• Accouplement de Moteur Métallique (Économie de 3,96 €) : Remplacé par un accouplement flexible imprimé en 3D en PETG.
• Bac à Résine / VAT : Remplacé par un bac à résine imprimé en 3D en PETG.
• Film FEP Commercial (Économie de 12,36 €) : Remplacé par un film FEP fait maison de manière DIY.

3. Composants Abandonnés (Cités pour l'Historique)

Pendant le développement, l'écran de projection LCD Wanhao D7 2K 5.5" (25,56 €) et son connecteur plat FPC (0,75 €) ont été achetés pour des tests mais ensuite écartés. Le connecteur FPC de 50 broches s'est avéré extrêmement complexe à souder manuellement, et le coût élevé des cartes contrôleurs vidéo a rendu le système non viable pour une approche à bas coût.

4. Composants Électroniques de la Carte Mère (BOM Officielle)

Selon le Cahier des Charges original de la carte mère de LaBalek :

📂 Structure de l'Écosystème

🔌 labalek/hardware

Contient les schémas électriques, les diagrammes de connexion et les spécifications des cartes de contrôle, des pilotes de moteurs pas à pas (comme les TMC) et des capteurs de température nécessaires à l'alimentation de l'imprimante.

💻 labalek/software

Dépôt dédié au micrologiciel et au contrôle du mouvement. Il comprend la logique d'interpolation des axes cartésiens, le contrôle de la température via boucle PID, le traitement en temps réel des instructions G-Code et les commandes d'extrusion de filament.

🔩 labalek/3d-files

Fichiers de modélisation physique et de CAO (STL/STEP) des pièces mécaniques conçues sur mesure (telles que les supports de moteur, les extrudeurs et les fixations structurelles) destinées à être imprimées en 3D et assemblées sur le châssis physique.

✂️ labalek/slicer

Une version personnalisée d'un trancheur (slicer) léger adapté aux imprimantes DLP (technologie de projection de résine), dérivée d'un fork de Formlabs/hackathon-slicer.

📸 Galerie du Projet

Découvrez ci-dessous les photos physiques du processus de développement de l'imprimante Labalek, des pièces imprimées et de l'assemblage. Cliquez sur n'importe quel élément pour l'agrandir.

🔗 Liens Officiels & Sources

• Organisation GitHub : github.com/labalek
• Cahier des Charges (Document PDF Original) : /LaBalek.pdf

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