Débuter en dessin 3D

Apprendre à dessiner en 3D
Avec TinkerCAD

Tous domaines | Tous cycles

DIFFICULTÉ MOYENNE | 2 HEURES

L'impression 3D a connu des progrès considérables depuis une dizaine d'années. D'abord reservées aux entreprises, les imprimantes 3D sont maintenant de plus en plus abordables et accessibles au grand public. Internet regorge maintenant de tas de tutoriels pour fabriquer sa propre imprimante 3D avec du matériel de récupération.
Nous verrons dans cette formation les principes de base de cette technologie mais surtout comment dessiner un modèle en 3D afin de l'imprimer.

L'impression 3D par dépôt de fil fondu (DFF).

Les imprimantes 3D de la Chaufferie impriment pas dépôt de fil fondu.
C'est une technologie simple mais efficace, et pas si récente que ça ! Inventé en 1988, le brevet du principe du dépôt de fil fondu a expiré en 2009, ce qui explique l'explosion des imprimantes 3D sur le marché à ce moment là.
Le principe de dépôt de fil fondu utilise l’extrusion d’une matière polymère (plastique) qui est poussée dans une buse d’impression. Dans la grande majorité des imprimantes, la matière polymère est stockée sous la forme d’un filament de plastique.
Les filaments de plastiques les plus utilisés sont en ABS (acrylonitrile butadiène styrène) ou en PLA (polymère d'acide lactique). L'ABS présente une très bonne résistance aux chocs et à la chaleur : c'est un plastique que l'on retrouve partout, des tuyaux de plomberie aux briques Lego. Le PLA, quant à lui, est plus fragile, mais est entièrement biodégradable et compostable. De plus, lorsqu'il est fondu lors de l'impression 3D, il n'emet pas de vapeurs toxiques (contrairement à l'ABS) et a plutôt une odeur sucrée. Pour ces raisons, c'est le plastique utilisé majoritairement à la Chaufferie.
La buse d’impression est chauffante, et fait fondre le polymère lors du passage dans la buse. Le débit d’impression est contrôlé par une roue en amont de la buse. Celle-ci tourne et entraîne le filament, le forçant dans la buse.
Le polymère, qui est éjecté de la buse par la pression, est en fusion et va se coller sur le matériau en dessous de lui. Afin de contrôler le dépôt, et afin de rester en phase liquide, la hauteur entre la buse et le matériau sur lequel on imprime est contrôlée. Cette distance, que l’on appelle hauteur de couche, est directement reliée au diamètre de la buse. En effet, les buses ont un diamètre qui varie commercialement entre 0,3 et 1 mm et la hauteur de couche ne doit pas dépasser le tiers de ce diamètre. La hauteur de couche varie donc entre 30 et 300 μm sur les imprimantes du commerce, selon la buse.

Voici une vidéo, réalisée par un élève du collège Sainte-Anne, montrant une de nos imprimante 3D en plein travail. La buse dépose une couche de fil fondu, puis lorsque la couche est terminée, le plateau descend (d'une distance équivalente à la hauteur de couche). Couche après couche, le modèle 3D prend forme. Cette vidéo est un accéléré d'une impression qui a duré plus de 10h.

Le dessin 3D avec TinkerCAD.

Voici ce que Tinkercad dit de Tinkercad :

Tinkercad est une collection d’outils logiciels gratuits en ligne qui aident les gens du monde entier à penser, créer et fabriquer. Nous sommes l’introduction idéale pour Autodesk, le leader des logiciels de conception 3D, d’ingénierie et de divertissement.

TinkerCAD est donc, entre autre, une application de dessin 3D simple et intuitive. Propriété de la compagnie Autodesk (un gros développeur de logiciels de dessins industriels et 3D professionnel), TinkerCAD est certes limité par sa simplicité, mais avec un peu de logique et de savoir faire peut être trés intéressant pour débuter dans la modélisation 3D et dessiner des modèles simples.

Remarque : TinkerCAD intègre également un simulateur d'Arduino (programmation de systèmes électroniques). Votre compte vous permettra également de suivre la formation électronique et programmation Arduino".

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Pour commencer, si ce n'est pas déjà fait, aller vous créer un compte sur Tinkercad ici !

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Présentation de l'interface de TinkerCAD

Voici l'interface graphique de TinkerCAD. Passons ensemble en revue les différentes fonctionnalités

Outils de vue et de déplacement
1	Centrer la vue sur le modèle
2	Centrer la vue sur la forme sélectionnée
3	Zoomer/Dézoomer
4	Changer vers la vue orthogonale ou perspective
5	Déplacement vers la vue de dessus, dessous, face, arrière ou côtés

Outils de modifications
6	Fusionner les formes sélectionnées
7	Défusionner la sélection
8	Aligner les élèments sélectionnés
9	Retournement des élèments sélectionnés

Navigateur de formes (solides)
10	Selecteur de type de solide
11	Choix des solides

Outils d'édition
12	Copier la sélection
13	Coller la sélection copiée
14	Dupliquer la sélection
15	Effacer la sélection
16	Annuler ou rétablir la dernière action

Mesures et plan de travail
17	Ajouter un nouveau plan
18	Outils de mesure (règle)

Autres outils
19	Changer le pas de déplacement des objets

Concernant les contrôles de souris :

Clic gauche : sélection
Clic droit : tourner autour de votre modèle
Roulette : zoomer ou dézoomer

Passons maintenant à la pratique afin de se familiariser avec chacun de ces outils.

Dessiner en suivant un plan à côtes

Je vous propose de dessiner en 3D une brique Lego de 2 x 4, un classique !
Dessiner avec TinkerCAD requiert de la logique et de la minutie. L'interface de TinkerCAD est simple, il y a peu de fonctions, mais avec un soupçon d'ingéniosité vous pourriez dessiner beaucoup d'objets.
Dessiner la brique Lego nous permettra de passer au travers des fonctions principales de TinkerCAD : aligner, dupliquer, creuser, fusionner, utiliser la règle, en plus d'avoir les contraintes d'un plan et de calculer des coordonnées !
Il y a autant de façon de dessiner cet objet qu'il y a de cerveaux. Je vous propose ici une méthode parmi d'autres.

Voici le plan (avec les côtes - les mesures exactes) d'une brique Lego.
Cliquez dessus pour l'afficher en grand et la télécharger. Vous en aurez besoin pour la suite, nous allons souvent nous y référer !

Lorsque vous aurez fini cette formation, votre dessin 3D sera exactement comme ceci. Il n'y aura plus qu'à l'imprimer et espérer qu'elle s'emboite parfaitement dans des briques Lego originales !

Dessin de la brique Lego étape par étape

Étape 1 : dessiner une forme de base aux dimensions voulues

Cliquez sur les images pour les agrandir

La première étape consiste en dessiner un parallélépipède rectangle de 31,80 mm de long par 15,80 mm de large par 9,60 mm de hauteur.
Dans la section de droite "choix des solides" (#11), cliquez-glissez une "box" (la rouge, la hachurée grise et blanche sert a faire des creux).

Placez vous en vue orthogonale de dessus : outils #4 ("changer vers la vue orthogonale ou perspective"), puis outil #5, cliquez sur "top".
En cliquant sur les arrêtes du solide, entrez la largeur (15,80 mm) et la longueur (31,80 mm).

Il faut maintenant indiquer la hauteur. Toujours en vue orthogonale, cliquez sur le petit triangle du bas dans l'outil #5 : vue de face. Cliquez sur le petit carré au bout de l'axe pour entrer la hauteur (9,60 mm).
Attention ! en vue de côté ou de face, en plus des carrés qui permettent d'entrer les dimensions de l'objet, il y a également un petit triangle (toujours un peu au dessus de l'objet). Cliquer dessus permet de déplacer l'objet en hauteur. Pour le moment ne vous en servez pas, il est très pratique de laisser les objets déposés sur le plan de travail (coordonnée 0 dans l'axe des z).

Étape 2 : faire un trou et aligner

Nous allons reproduire toutes les étapes précédentes mais avec une forme "box" hachurée grise : c'est un creux. Essayez de pratiquer seul : cliquez-glissez la forme, puis changer de vue pour entrer les dimensions intérieures de la brique Lego.
Dans le plan, nous pouvons voir que les paroies de la brique ont une épaisseur de 1,2 mm. Nous devrons donc enlever 1,2 x 2 = 2,4 mm en longueur et en largeur, et 1,2 mm en hauteur.
Les dimensions du creux seront donc :

hauteur : 9,60 - 1,20 = 8,40 mm
largeur : 15,80 - 2,40 = 13,40 mm
longueur : 31,80 - 2,40 = 29,40 mm

Il va falloir maintenant aligner le trou et le solide.
Le trou devra être centré en largeur et en longueur, et aligné sur la base en hauteur.
Sélectionez les 2 formes (cliquez-glissez pour les sélectionner ou SHIFT+clic sur chacune des formes).
Cliquez ensuite sur l'outil #8 "aligner les élèments sélectionnés".

Nous voyons apparaître 3 points sur la longueur et 3 autres points sur la largeur (nous sommes ici en vue de dessus). Le point du milieu permet d'aligner au centre, les points des extrémités d'aligner sur les arrêtes.
Comme nous voulons que le creux soit au milieu du solide en largeur et en longueur, nous allons cliquer sur les 2 points du milieu.
Et comme par magie, le creux se déplace et vient se loger au centre du solide ! (par conséquent, nous ne le voyons plus)

Je vous laisse aligner le creux en hauteur tout seul.
Déplacez-vous en vue de côté, sélectionnez l'outil #8, puis cliquez sur le point du bas (n'oubliez pas que le creux doit être aligné en hauteur sur la base).

Nous devrions maintenant fusionner le creux et le solide afin que plus rien ne bouge.
Pour ce faire, sélectionnez le creux et le solide, puis cliquez sur l'outil #6 "fusionner les formes selectionnées".
Vous pouvez tourner autour de votre dessin à l'aide du bouton gauche de votre souris : admirez le résultat, vérifiez en dessous que le creux soit bien visible.

Étape 3 : utiliser la règle pour positionner des objets

Étape un petit peu délicate : nous devons dessiner et aligner les 6 cylindres (que l'on appelle "tenons" dans une bique Lego ou dans les pièces mécaniques en général).
Si l'on se réfère au plan, les dimension des tenons sont :

Diamètre : 4,80 mm
Hauteur : 11,40 - 9,60 = 1,8 mm

De plus, la distance qui les sépare (de centre à centre des tenons) est de 8 mm.

Commençons par dessiner un tenon, vous pouvez y arriver seul.
Commencez par cliquer-glisser une forme de cylindre, puis indiquez les mesures en vous déplaçant entre les vues.
Astuce ! N'oubliez pas que vous pouvez centrer la vue sur l'objet sélectionné en cliquant sur l'outil #2.

Vous y êtes arrivé, c'est formidable !
Avant d'aller plus loin, il faut comprendre le plan cartésien dans TinkerCAD.
La grille est millimétrée : c'est à dire que chaque petit carré fait 1 mm de côté. Un trait plus gras est présent tous les 10 mm.
Observez également l'outil #19 "pas de déplacement des objets". Vous verrez qu'il est réglé sur "1 mm". Cela veut dire que si vous déplacez un objet à l'aide des flèches de votre clavier, chaque pression sur la touche déplacera votre objet de 1 mm. Restez à l'affût car nous aurons besoin de modifier ce paramètre plus tard. Pour l'instant, ne touchez à rien !

Maintenant que nous avons compris le fonctionnement du quadrillage, il faut positionner ce tenon.
Nous avons les distances entre 2 tenons (de centre à centre), mais pas la distance entre le bord de la brique et le bord du premier tenon. Il va falloir être logique et le calculer !
Les briques Lego sont conçues pour s'emboiter en hauteur (sur l'axe des z), mais également en longeur et en largeur (sur un plan cartésien en x et en y). Par conséquent, la distance qui sépare le bord de la brique du bord du premier tenon est nécessairement égale à la moitié de la distance qui sépare les tenons bord à bord.
Si vous n'avez pas compris, un schéma devrait aider !

Calculons !

Les tenons font 4,80 mm de diamètre, soit un rayon de r = 2,40 mm
La distance qui sépare les tenons entre leurs centres est c = 8 mm
La distance qui sépare les tenons entre les bords les plus proches est d = c - (2 x r), soit d = 8 - (2 x 2,40) = 3,20 mm
d = 3,20 mm et d/2 = 1,60 mm

Wouaw, c'est déjà le temps de préparer l'espace de travail pour positionner les objets dans un plan cartésien !
Attention, nous travaillons ici uniquement en vue orthogonale de dessus : outil #4 ("changer vers vue orthogonale ou perspective"), puis outil #5 "top".
Commencez par placer une règle (outil #18). Faites attention à bien disposer l'origine de la règle - le point (0 ; 0), à l'intersection entre 2 lignes grasses du quadrillage.
Ensuite, déplacer votre brique Lego de sorte à ce que le coins inférieur gauche se trouve sur l'origine.
Sur l'image, tout va bien : le coin inférieur gauche de mon solide est bien à la coordonnée (0,00 ; 0,00).

Nous avons calculé plus tôt que le bord du tenon doit être à 1,60 mm du bord de la brique.
Etant donnée que nos mesures sont précises au dixième de millimètre (0,1 mm), nous allons tout d'abord régler l'outil #19 sur 0,1mm.
Ensuite, sélectionnez votre tenon, et à l'aide des flèches de votre clavier, positionnez le patiemment aux coordonnées (1,60 ; 1,60).

Oh, mais le tenon est invisible ! Normal, il est aligné sur la base du plan de travail ! Il va falloir le remonter de 9,60 mm (la hauteur de la brique).
Nous alons devoir nous mettre momentanément en vue orthoganale (toujours) de face-avant (petit triangle en bas de l'outil #5, naviguez entre les vues toujours avec cet outil).
Si vous n'avez touché à rien, votre tenon devrait toujours être sélectionné. Voyez-vous le petit triangle au dessus de la sélection, que nous avons évoqué plus tôt ? C'est ce qui nous permet de déplacer les objets en hauteur. Utilisez cet outil afin de positionner le tenon à 9,60 mm en hauteur.
Attention, le déplacement en hauteur ne fonctionne pas avec les flèches du clavier. Vous devrez utiliser la souris. Les flèches ne permettent de se déplacer qu'en abcisse et ordonnée.

Avez-vous réussi ? Bravo !
Maintenant nous allons positionner les 3 autres tenons du bas.
Repositionnez vous en vue orthogonale de dessus (triangle du haut dans l'outil #5).
L'espace entre 2 tenons est de 8 mm, et l'espace entre le bord du tenon et le bord de la brique de 1,60 mm.
Le second tenon sera par conséquent à 8 + 1,60 = 9,60mm.
Sélectionner le tenon déjà en place et cliquez sur l'outil #14 ("dupliquer les objets sélectionnés"). Tout de suite après, déplacez le tenon dupliqué à l'aide des flèches du clavier jusqu'à le positionner aux coordonnées (9,60 ; 1,60).

Le troisième tenon est 8 mm plus loin, il sera donc aux coordonnées (17,60 ; 1,60).
Dupliquez le second tenon à l'aide de l'outil #14, puis déplacez le avec les flèches de votre clavier afin de le positionner aux bonnes coordonnées.
Nous répétons le processus pour le quatrième tenon qui sera lui aussi 8 mmm plus loin, soit aux coordonnées (25,60 ; 1,60).
Remarque : Vous verrez que l'outil #14 "dupliquer" est intelligent et place l'objet tout seul aux coordonnées voulues (TinkerCAD comprend que l'on veut une régularité dans l'espacement des objets !).

Essayez de disposer les 4 tenons du haut tout seul maintenant.
En suivant la même logique, leurs coordonnées seront :

tenon 1 : (1,60 ; 9,60)
tenon 2 : (9,60 ; 9,60)
tenon 3 : (17,60 ; 9,60)
tenon 4 : (25,60 ; 9,60)

Fusionnez ensuite votre travail afin que plus rien ne bouge.

Étape 4 : finalisation - aligner, dupliquer, positionner

Il nous reste à dessiner les 3 cylindres creux qui permettent aux briques de tenir en place.
En consultant le plan de la brique Lego, en vue de dessous, nous pouvons voir que :

le diamètre extérieur de ces cylindres est de 6,51 mm
le diamètre intérieur est de 4,80 mm
la hauteur est celle de la brique, soit 9,60 mm

Êtes vous capable de dessiner un cylindre seul ? voici les étapes :

Faire un cylindre plein de 6,41 mm de diamètre et 9,60 mm de hauteur
Faire un cyclindre creux de 4,80 mm de diamètre et 9,60 mm de hauteur
Aligner les 2 cylindres par rappport à leurs centres
Fusionner les cylindres

Nous allons commencer par positionner ce cylindre au milieu.
Nous avons utilisé l'outil règle pour mesurer de bord à bord, mais saviez vous que cet outil peut aussi mesurer à partir du centre ?

Placez-vous en vue orthogonale de dessous, la régle sur "utiliser le milieu", et déplacer le cylindre aux bonnes coordonnées (au milieu de la brique).
Astuce : si vous avez réglé le pas de déplacement à 0,1 mm, il sera difficile de remettre la règle parfaitement à l'origine de votre solide. Réglez l'outil #19 sur 1 mm afin de positionner correctement la régle. Ensuite, remettez l'outil #19 sur 0,1 mm afin de déplacer finement les objets.
Je vous aide un peu pour les calculs de coordonnées :

coordonnées du centre du cylindre : (longueur de la brique / 2 ; largeur de la brique / 2)
longueur de la brique / 2 = 31,80 / 2 = 15,90 mm
largeur de la brique / 2 = 15,80 / 2 = 9,90 mm
coordonnées du centre du cylindre : (15,90 ; 9,90)

Plaçons maintenant les 2 autres cylindres.
Tout comme pour les tenons, l'espace entre le centre des cylindres est de 8 mm (ce n'est pas indiqué sur le plan, mais c'est logique compte tenu que les briques s'emboitent les unes dans les autres).
Êtes-vous capables de calculer vous-même les coordonnées ? Indice dans l'image !
N'oubliez pas ensuite de fusionner votre création afin que rien ne se déplace !

Bravo, vous avez terminé ! Telle qu'elle est, la brique pourrait être imprimée et s'emboîter avec des briques Lego originales.

Vous voulez aller plus loin ? Si vous observez bien le plan, vous verrez que l'intérieur des tenons est creux. En effet, chaque tenon a un diamètre extérieur de 4,80 mm et, si on prend en considération l'épaisseur du plastique de 1,2 mm, les tenons auront un diamètre intérieur de 4,80 - (2 x 1,2) = 2,4 mm.
L'idée est donc de dessiner un cylindre (en creux, donc hachuré gris) de 2,4 mm de diamètre et de 10,2 mm de hauteur (hauteur totale de la brique = 11,40 mm - 1,20 mm d'épaisseur = 10,2 mm).
Ensuite, il faut positionner le premier "creux de tenon" aux bonnes coordonnées, puis le dupliquer et placer les suivants.
Je vous aide pour les coordonnées du premier "creux de tenon". Rappelez vous que nous avons calculé la distance entre le bord du premier tenon et le bord de la brique : elle est de 1,60 mm. Ajoutons à cela l'épaisseur du plastique (qui est de 1,20 mm), et nous obtenons 1,60 + 1,20 = 2,80 mm. Le premier "creux de tenon" sera ainsi positionné à la coordonnée (2,80 ; 2,80).
Attention, nous parlons ici de coordonnées bord à bord, il faut paramétrer la régle en conséquence !
La suite est simple. 8 mm séparent chaque tenon, donc 8 mm séparent également chaque creux de tenon. Il suffit d'ajouter 8 mm en abcisse ou en ordonnée selon le cas.
Si vous êtes rendus jusqu'ici alors vous êtes capable de le faire seul. Allez-y ! Obtenez-vous quelque chose de semblable ?

Félicitations, vous avez réussi à dessiner une brique Lego avec tous ses détails ! Du travail de professionnel ! Avez-vous hâte de l'imprimer ?