Cet article présente la deuxième version de la conception détaillée, du local électrique à l’échelle 1/12, du diorama de la Batcave du projet BATLab112. Cette mise à jour de cette conception est en lien avec la réalisation du premier modèle opérationnel du local technique.
Cet article fait suite à l’article précédent sur la conception détaillée du local technique et ceux de la fabrication des différents éléments du modèle opérationnel.
Structure Cantilever de support des chemin de câble
Passerrelle d’accès au local électrique
Les modifications par rapport à la précédente version de la conception détaillée :
Une quatrième armoire de distribution
La structure Cantilever de support des chemin de câbles
Un premier design de la passerelle d’accès au local électrique
Une quatrième armoire de distribution
Cette quatrième armoire de distribution, identique dans sa conception au 3 premières est une armoire supplémentaire pour assurer la distribution des tensions 12VDC.
Armoires de distribution
La structure cantilever
Cette structure est conçue comme support au chemin de câble. Le détail de sa conception fera l’objet d’un prochain article en cours de rédaction.
Structure Cantilever de support des chemin de câble
La passerelle d’accès
La conception de cette passerelle n’est pas encore totalement aboutie lorsque cet article sera mis en ligne. Un article dédié est en cours de rédaction.
Cet article de présentation de la structure mécanique du pont roulant bipoutre fait suite à un article de présentation de la conception préliminaire de cet équipement.
Si ce prototype permet de valider le design de la structure du quadrilatère du pont roulant, il reste à présent à définir plus précisément le design des rails de roulement du pont ainsi que le système de festons de câbles électriques.
Vue générale du pont roulant
Screenshot n°1 : Armoires de raccordement électrique des moteurs
Screenshot n°2 : Festons de câbles électriques
Screenshot n°3 : Rails de guidage et butées de fin course
Screenshot n°4 : Sommiers du pont roulant
Screenshot n°5 : Poutres du pont roulant
Festons de câble
Vues générales
Cette vue en perspective axonométrique plongeante montre le design d’un rail équipé de son feston de câble (Trolleys + Câble).
Cette vue en perspective axonométrique en contre plongée montre le design d’un rail équipé de son feston de câble (Trolleys + Câble).
Vues de détails
Bras de suspension des rails des festons des câbles
Les rails de guidage des festons de câble sont suspendus par des bras. Ces bras sont composés de deux parties : Le bras de suspension du rail et l’étrier de maintien du bras. Le design de ces deux pièces est conçu pour une réalisation par impression 3D. La fixation des étriers sur la structure du diorama est réalisée par des clous à tête suivant l’implantation des rangées de trou. Le nombre d’ensembles bras et étrier reste à définir en fonction des contraintes lors de la fabrication du modèle opérationnel.
Bras de suspension terminaux des festons de câbles
Pour guider le câble vers son point de raccordement électrique et éviter toute tension due au déplacement du pont, deux bras de suspension du rail de guidage sont fixés par un étrier double. Un guide de câble est alors positionné sur le rail entre les deux bras. En passant dans ce guide, le câble est alors dirigé vers son point de raccordement, tout en étant maintenu en position face à la tension exercée sur le câble lors du déplacement du pont roulant.
Trolleys de roulement des festons
Pour garantir le guidage du câble le long de son rail, des trolleys sont utilisés pour supporter le câble et assurer son guidage grâce à 2 séries de 2 rouleaux enserrant la partie inférieure du rail de guidage. Le design de ces pièces est conçu pour une réalisation par impression 3D.
Butées de fin de course
Vues générales
Les butées de fin de course sont placées à l’extrémité des rails de roulement d’un pont roulant. Ces dispositifs constituent une limite physique dans le déplacement du pont roulant, servant de sécurités en empêchant le pont roulant de sortir de ses rails, chuter et faire chuter la charge qu’il transporte.
Les bumpers sont des tampons d’amortissement du choc du contact du pont roulant avec les butées de fin de course. Ils sont installés aux extrémités des deux sommiers du pont roulant (éléments moteur du pont roulant).
Vues de détails
Chacune des quatre butées de fin de course est équipée d’un capteur coupe circuit. Si le pont roulant vient jusqu’au contact d’une butée, il actionne alors son capteur qui coupe l’alimentation électrique des moteurs, entrainant l’arrêt du pont. Le design du corps de ces butées est conçu pour être réaliser par impression 3D. La fixation des butées sur la rail de roulement du pont est réaliser par 6 boulons M2. Le capteur électrique est inséré dans le corps de la butée, maintenu en position par 2 boulons M2.
Bumpers
Le design des bumpers est conçu pour être réaliser par impression 3D. Ils sont fixés sur les extrémités des sommiers par 2 rangées de 3 clous à tête.
Modélisation 3D
FreeCad
La modélisation du pont roulant bipoutre équipant la Batcave du projet BATLab112 a été réalisé avec le logiciel FreeCad V0.19.
Les fichiers des modèles 3D utilisés lors de la conception préliminaire pont roulant bipoutre équipant la Batcave du projet BATLab112 sont téléchargés à partir de la plateforme GrabCAD.
Le design de toutes ces pièces ont été conçus pour être réaliser par impression 3D.
L’impression 3D des pièces des équipements industriels de la Batcave du projet BATLab112 a été réalisée avec une imprimante Anet A8 et le logiciel Cura.
L’article présente la fabrication d’un prototype d’armoire de distribution électrique basse tension pour le diorama du projet BATLab112, conçu pour distribuer les tensions 5 VDC, 6 VDC et 12 VDC vers les consoles de commande. Il expose les retours d’expérience des prototypes antérieurs, l’impression 3D de la structure interne et la modification du design pour résoudre les échecs…
À l’issue de la phase de conception détaillée du modèle d’armoire de distribution électrique du diorama, l’objectif consiste désormais à réaliser un premier prototype fonctionnel. Cette étape vise à valider les choix techniques retenus avant la fabrication des quatre modèles opérationnels destinés à assurer la distribution des tensions 5 VDC, 6 VDC et 12 VDC vers les quatre consoles de commande des équipements industriels intégrés au diorama.
Retour d’expérience sur les armoires de raccordement électrique
Le retour d’expérience issu des prototypes antérieurs des armoires de raccordement du poste HT/BT a mis en évidence que l’absence de structure interne ne permet pas d’assurer une rigidité mécanique satisfaisante. Bien que l’enveloppe de ces armoires, réalisée à partir d’emballages de produits alimentaires, puisse apparaître suffisamment rigide lors de la phase de fabrication, cette rigidité s’avère insuffisante lors des phases de manipulation et d’exploitation. En conséquence, l’enjeu principal de la réalisation de ce prototype réside dans la validation de la faisabilité technique d’une structure interne réalisée par impression 3D.
Impression 3D de la structure interne d’une armoire électrique du diorama
Fabrication par impression 3D de la structure issue de la conception détaillée
Le design monobloc de la structure interne des armoires de distribution électrique a fait l’objet d’une analyse approfondie lors de la phase de conception détaillée. L’un des objectifs principaux de cette étude était de limiter la quantité de matière utilisée, en particulier celle associée aux éléments de support. À cet effet, la géométrie retenue se caractérise par des zones en surplomb conçues sous forme d’arches, ne nécessitant aucun support d’impression lors du procédé de fabrication additive. Cette approche permet ainsi d’éliminer toute production de matière résiduelle liée aux supports d’impression.
Deuxième impression 3D : analyse d’un échec de fabrication
Malgré l’attention particulière portée à la conception de ce design, la seconde tentative d’impression s’est soldée par un échec de fabrication. Lors de cette opération, la tête de l’imprimante 3D est entrée en collision avec le modèle en cours d’impression, comme l’illustre la photo associée. Afin de limiter les pertes de matière et de temps, aucune nouvelle impression de ce design n’a été engagée à ce stade.
À ce jour, la cause principale avancée pour expliquer cet incident semble être liée à la taille du fichier numérique stocké sur la carte SD utilisée par l’imprimante 3D Anet A8 du projet BATLab112. Il apparaît en effet que le lecteur de carte SD de la carte électronique de l’imprimante présente des dysfonctionnements lors de la lecture de fichiers volumineux, en particulier lorsque la carte a fait l’objet de multiples cycles d’écriture et de suppression.
Afin de prévenir la récurrence de ce phénomène, deux mesures correctives ont été mises en œuvre. La première consiste à recourir à des cartes SD de faible capacité (8 Go), dédiées exclusivement au stockage des fichiers définitifs avant impression, en limitant les opérations d’écriture. La seconde, détaillée dans le chapitre suivant, repose sur une modification du design du prototype visant à réduire les durées d’impression des pièces.
À la date de mise en ligne de cet article, l’application conjointe de ces deux actions a permis d’éliminer l’apparition de ce dysfonctionnement.
Évolution du design de la structure interne des armoires électrique du diorama
Le nouveau design résulte d’une approche alternative fondée sur la décomposition de la structure en plusieurs éléments distincts, comme l’illustre la capture d’écran de la vue éclatée réalisée à l’aide du logiciel FreeCAD. L’intérêt de cette démarche réside dans la conception de pièces de dimensions réduites et de géométrie majoritairement plane, permettant de diminuer les temps d’impression et de s’affranchir de l’utilisation de supports d’impression. En contrepartie, cette approche implique la définition et la conception des interfaces d’assemblage entre les différents éléments constitutifs de la structure.
Bien que cette méthode de conception ne permette pas d’exclure totalement la réapparition des dysfonctionnements précédemment observés, elle garantit néanmoins une réduction significative de l’impact potentiel en termes de durée d’impression et de quantité de matière susceptible d’être perdue.
Modélisation 3D du nouveau design de la structure interne des armoires électriques du diorama avec FreeCAD
Impression 3D d’une structure modulaire des armoires électriques du diorama
Préparation du fichier pour impression 3D avec Cura
Impression 3D des éléments de la structure modulaire
Chaque élément constituant la structure interne de l’armoire de distribution est imprimé individuellement. Les deux côtés de l’armoire présentent une symétrie identique, impliquant l’impression en double du même design. Afin de réduire les durées d’impression, les pièces ont été réalisées en qualité « Normal » avec une épaisseur de couche de 0,15 mm. Ce réglage n’offre pas le rendu optimal en termes de finition de surface, mais il reste satisfaisant, la structure interne n’étant ni visible de l’extérieur ni significativement perceptible de l’intérieur.
L’ensemble de ces pièces a été imprimé sans rencontrer la problématique observée précédemment avec le modèle monobloc, confirmant la pertinence de l’approche de décomposition du design.
L’impression 3D des pièces des équipements industriels de la Batcave du projet BATLab112 a été réalisée avec une imprimante Anet A8 et le logiciel Cura.
Assemblage de la structure des armoires électriques du diorama
L’assemblage de la structure est réalisé par emboitement des pièces. Les côtes des éléments d’assemblage tenon-mortaise ont été obtenues de manière empirique pour prendre en compte la précision d’impression.
Fabrication du module sectionneur des armoires de électrique du diorama
Impression 3D de la structure mécanique du sectionneur électrique
Pour des raisons de gestion des temps d’utilisation de l’imprimante, les pièces composant le sectionneur sont imprimées unitairement.
Assemblage des composants du sectionneur électrique
L’assemblage des différentes pièces du sectionneur est réalisé à l’aide de boulons de type M2. Les blocs de jonction électrique sont positionnés dans leurs supports respectifs, lesquels sont ensuite fixés sur le corps principal du sectionneur. Les deux interrupteurs sont maintenus par deux écrous chacun. Dans les modèles opérationnels, afin de prévenir tout desserrage des écrous susceptible de provoquer leur chute à l’intérieur de l’armoire électrique sous tension — et donc d’engendrer des courts-circuits —, l’utilisation de frein-filet est prévue sur l’ensemble des boulons.
Câblage interne du module sectionneur électrique du diorama
Le câblage est réalisé à l’aide de conducteurs en cuivre rigide de couleur rouge et bleue, d’une section de 2,5 mm². Cette section dépasse les exigences des normes de câblage électrique, compte tenu du courant maximal de 6 A circulant dans ces conducteurs. Par ailleurs, cette configuration offre un rendu esthétique satisfaisant.
Fabrication du module porte fusible des armoires électrique du diorama
Lors de la phase de conception détaillée, le design du porte-fusible a fait l’objet d’une étude spécifique. Aucun des modules disponibles sur le marché ne répondait pleinement aux exigences du projet, tant en termes de nombre de voies que de dimensions. La fabrication d’un porte-fusible complet aurait été fastidieuse et aurait présenté un résultat incertain sur le plan des contraintes mécaniques et électriques. Par conséquent, le choix s’est porté sur l’utilisation d’un boîtier automobile à six voies avec point commun, dont l’enveloppe mécanique peut être modifiée afin de répondre aux contraintes d’intégration au sein de la structure de l’armoire.
Impression 3D des supports mécaniques du module porte fusible
Impression 3D des chemins de câble du module porte fusible
Assemblage du module porte fusible
Assemblage final des modules composants une armoire de distribution électrique du diorama
Câblage interne d’une armoire de distribution électrique du diorama
Le bloc porte-fusibles est connecté à la sortie du sectionneur à l’aide de deux conducteurs en cuivre rigide de section 2,5 mm². L’emploi de cette section, identique à celle utilisée pour le sectionneur, assure la cohérence du câblage ainsi que le respect des normes électriques en vigueur. Par ailleurs, chaque connecteur de sortie de l’armoire est raccordé au bloc porte-fusibles au moyen de deux conducteurs de calibre 20 AWG.
Voir aussi
Des articles sur l’avancement du réseau électrique du diorama
Le processus de conception d’un circuit imprimé (PCB) comporte une étape déterminante : l’implantation des composants électroniques. La qualité de cette implantation influence directement les performances du routage, c’est-à-dire l’organisation des pistes reliant les composants entre eux. Pour optimiser cet agencement, des logiciels spécialisés proposent des solutions fondées sur divers paramètres, tels que le nombre de couches disponibles, les priorités fonctionnelles ou encore les contraintes de fabrication.
Dans le contexte du projet BATLab112, cette phase d’implantation revêt une importance particulière, en raison de contraintes spécifiques liées à la reproduction d’un environnement technique fonctionnel à l’échelle 1/12. L’utilisation de FreeCAD permet de visualiser et d’anticiper ces contraintes grâce à la modélisation 3D intégrée.
Ergonomie et cohérence fonctionnelle à l’échelle 1/12
La première contrainte concerne l’intégration des composants selon une logique d’ergonomie réaliste. Sur le PCB dédié aux commandes manuelles de la console, plusieurs éléments — boutons poussoirs, interrupteurs, voyants lumineux — doivent être positionnés conformément à une logique d’utilisation proche de celle d’un pupitre réel.
Ainsi, la disposition ne peut être arbitraire :
chaque voyant doit se situer à proximité immédiate de la commande qu’il signale ;
l’ensemble des commandes doit suivre un ordre cohérent, garantissant lisibilité, intuitivité et continuité d’usage.
Cette approche vise à préserver la valeur pédagogique et immersive du diorama technique, en assurant une correspondance entre interaction utilisateur et organisation fonctionnelle.
Contraintes de volume et d’intégration mécanique
La seconde contrainte d’implantation concerne l’intégration mécanique des composants. Chaque élément doit présenter un volume compatible avec les limites imposées par la structure du diorama. L’épaisseur totale du PCB, la hauteur des composants, ainsi que l’espace disponible dans les caissons ou parois constitutifs du modèle réduisent la liberté d’implantation classique.
L’usage de FreeCAD offre ici un avantage déterminant : la modélisation 3D permet de vérifier la compatibilité dimensionnelle, d’anticiper les conflits d’encombrement et d’ajuster précisément les choix d’implantation.
Conclusion
En conclusion, l’usage d’un logiciel spécialisé dans l’implantation et le routage de PCB ne garantit pas une prise en compte satisfaisante des deux contraintes majeures identifiées — l’ergonomie fonctionnelle à l’échelle 1/12 et l’intégration mécanique des composants. En effet, ces outils opèrent généralement sans lien direct avec l’environnement mécanique réel du projet, ce qui limite leur capacité à assurer une cohérence entre implantation électronique et contraintes structurelles.
Pour cette raison, j’ai choisi de réaliser la phase d’implantation au sein de FreeCAD, déjà utilisé pour la conception du design mécanique du dispositif. Cette intégration dans un environnement unique de modélisation 3D permet de visualiser de manière globale et précise l’impact des choix d’implantation des composants sur l’architecture générale de l’équipement dans lequel le PCB doit s’insérer. Une telle démarche favorise la cohérence entre électronique et mécanique, condition essentielle à la qualité et à la pertinence pédagogique du projet BATLab112.
Le réseau électrique du diorama de la Batcave, développé dans le cadre du projet BATLab112, a pour fonction d’assurer la distribution de l’énergie électrique à l’ensemble des équipements du dispositif. Les quatre systèmes fonctionnels — la plateforme rotative, le pont élévateur, le pont roulant et les bras robotiques — sont pilotés par des consoles de commande dédiées, lesquelles requièrent également une alimentation électrique. En conséquence, la multiplicité des équipements, conjuguée à l’hétérogénéité des niveaux de tension requis, impose la mise en œuvre d’une infrastructure de distribution électrique spécifiquement adaptée.
Pour plus d’informations, voir les articles relatifs à la conception des équipements de la Batcave à l’échelle 1/12 :
L’ensemble des dispositifs de distribution et de contrôle de l’énergie électrique est centralisé au sein d’un local technique dédié. Ce local assure la fonction de point de raccordement du diorama de la Batcave au réseau électrique, tout en intégrant l’ensemble des équipements nécessaires à la distribution de l’énergie et à son suivi opérationnel. Il abrite notamment le poste de transformation HT/BT ainsi que trois armoires de distribution correspondant aux niveaux de tension requis par les équipements du diorama, à savoir 5 VDC, 6 VDC et 12 VDC.
Structure interne
Présentation générale
A l’échelle 1:1, le module de raccordement, situé en amont du poste HT/BT, permet de raccorder un réseau de distribution électrique Basse Tension (BT), au réseau électrique Haute Tension (HT).
A l’échelle du diorama, l’armoire de raccordement assure le raccordement du réseau électrique de la Batcave, au réseau électrique domestique 230V 50Hz. L’entrée de cette armoire autorise un raccordement à une prise secteur par l’intermédiaire d’un câble électrique de type 3G 1,5 mm2.
Description détaillée
Les deux passe-câbles assurent le maintien mécanique du câble en entrée (depuis la prise secteur) et en sortie (vers le convertisseur).
Les deux borniers de raccordement assurent la connexion électriques des deux câbles.
L’interrupteur sectionneur permet d’isoler le diorama du réseau électrique.
Fonctionnement général
Une fois le raccordement au secteur réalisé, par l’intermédiaire du bornier de raccordement, le basculement de l’interrupteur sectionneur en position haute, permet d’alimenter en énergie électrique le convertisseur de puissance du diorama.
Le basculement de l’interrupteur sectionneur de l’armoire de raccordement en position basse, permet d’isoler complètement le diorama du secteur.
Cette armoire est l’unique point de raccordement au secteur du diorama, afin de garantir la sécurité des utilisateurs.
Modèles 3D
Modèle 3D du presse étoupe, passe câble, utilisé dans les 3 modules du poste HT/BT.
Modèle 3D du bloc de jonction, 230VAC, utilisé comme bornier de raccordement.
Modèle 3D de support de Led, utilisé comme passe câble du module sectionneur.
Modèle 3D des interrupteurs 230VAC utilisés comme sectionneur général du poste HT/BT.
Le convertisseur de puissance
Présentation générale
A l’échelle 1:1, le transformateur est l’équipement central du poste HT/BT. Il assure la transformation de la Haute Tension alternative du réseau de distribution électrique régional, en Basse Tension alternative 230V 50Hz.
A l’échelle du diorama, le transformateur est remplacé par un module – convertisseur de puissance -, qui assure la conversion de la tension secteur alternative 230V 50Hz en basses tensions continues compatibles avec les composants électroniques et actionneurs du projet ; électronique, moteurs…
Description détaillée
Les 3 passe-câbles d’entrée assurent le maintien mécanique des câbles :
Câble 230VAC, issu de l’armoire de raccordement
Câble 12VDC, vers le tableau basse tension
Câble des commandes, issu du tableau basse tension.
Les 4 passe-câbles d’entrée assurent le maintien mécanique des câbles :
Câble 230VAC, issu de l’armoire de raccordement
Câble 12VDC, vers le tableau basse tension
Câble des commandes, issu du tableau basse tension.
Les 4 passe-câbles d’entrée assurent le maintien mécanique des câbles :
Câble 5VDC
Câble 6V DC
Câble 12V DC
Le convertisseur 230VAC/12VDC assure la conversion AC/DC de la tension secteur 230V 50Hz.
Les convertisseurs DC/DC assure la conversion de la tension 12VDC issue du convertisseur AC/DC en tensions continues plus basses ; 5VDC, 6VDC … compatibles avec les composants électroniques et actionneurs du diorama.
La carte électronique des relais assure les commutations des différentes tensions continues de sorties
Fonctionnement général
Lorsque l’interrupteur sectionneur de l’armoire de raccordement est basculé en position haute, le convertisseur 230VAC/12VDC du convertisseur de puissance, est alors alimenté en énergie électrique. Il fournit une tension de 12V continue en sortie. Cette tension alimente alors le panneau basse tension pour contrôler l’alimentation électrique des convertisseurs DC/DC.
Lorsque le convertisseur 230VAC/12VDC est sous tension, et que le bouton d’arrêt d’urgence du panneau basse tension est relâché, un appui sur un des boutons poussoirs du panneau de commande, déclenche la commande d’un relais. Ce relais commute la tension du convertisseur DC/DC correspondant, en sortie du convertisseur de puissance.
Modèles 3D
Modèle 3D de l’alimentation utilisée comme convertisseur 230VAC/12VDC.
Modèle 3D des convertisseurs de tensions 12VDC/6VDC et 12VDC/5VDC.
Modèle 3D des borniers utilisés sur la carte des relais de.commutation des tensions de sortie.
Modèle 3D des relais utilisés pour commuter les tensions de sorties du convertisseur.
Le tableau basse tension
Présentation générale
A l’échelle 1:1, le tableau BT permet de répartir l’énergie électrique sur les différents départs issus du poste de transformation. A l’échelle du diorama, cette armoire centralise les commandes des tensions continues en sortie du convertisseur.
Description détaillée
Les deux passe-câbles assurent le maintien mécanique du câble en entrée (depuis la sortie du convertisseur 230VAC/12VDC) et en sortie (vers la carte électronique des relais).
Le bornier de raccordement assure la connexion électriques des câbles.
La carte électronique – PCB des commandes -, centralise tous les circuits de commande des tensions de sortie du convertisseur de puissance.
La carte électronique – PCB des relais -, assure la commutation des différentes tensions de sortie du convertisseur de puissance, sous le contrôle des commandes.
Les cartes électroniques sont réalisées en logique câblée, à partir de relais électromagnétiques, de boutons poussoirs et de voyants de visualisation réalisés à partir de LEDs.
Fonctionnement général
Lorsque le convertisseur 230VAC / 12VDC est raccordé au réseau électrique domestique lors du basculement de l’interrupteur sectionneur de l’armoire de raccordement en position haute, il délivre en sortie une tension de 12V DC. Cette tension est alors utilisée pour alimenter en énergie électrique, une carte électronique de commande et une carte de relais qui contrôlent les tensions de sortie du convertisseur de puissance.
Modéles 3D
Modélisation 3D
FreeCAD
Dans cette phase de conception préliminaire, seul le design général de la structure mécanique de la console de commande est modélisé. L’assemblage des différentes sous-parties n’est pas pris en compte ici. Il s’agit avant tout de valider la faisabilité technique de ce design ainsi que son intégration à l’échelle 1/12. Les détails de l’assemblage des différents sous-ensembles se fera lors de la réalisation du premier prototype.
Visuels de la conception préliminaires des 3 modules composants le poste HT/BT.
GrabCAD
Les fichiers des modèles 3D utilisés lors de la conception préliminaire du poste HT/BT équipant la Batcave du projet BATLab112 sont téléchargés à partir de la plateforme GrabCAD.
Le logiciel FreeCAD propose une option de vue en rotation, qui peut s’appliquer sur tout ou partie des objets 3D présents dans le fichier de conception en cours. Passer l’effet captivant d’une telle animation, je me suis posé la question de l’intérêt d’une telle fonction. Mon retour d’expérience sur l’utilisation du logiciel FreeCAD depuis 2018, pour concevoir le diorama de la Batcave du projet BATLab112, me permet d’apporter plusieurs réponses à cette question.
Une première réponse se trouve dans l’ADN même d’un logiciel tel que FreeCAD. En effet, une attente légitime lorsque l’on utilise un logiciel de conception 3D volumétrique, n’est-elle pas de pouvoir visualiser les objets en 3D ? Par conséquent, la vue en rotation est un excellent outil pour cela. Surtout que cette vue dynamique participe à une meilleure visualisation dans l’espace, pour se créer une image mentale des objets conçus plus précise.
Un aperçu dynamique plus complet
Si cette réponse pourrait suffire à justifier cette option de présentation sous FreeCAD, il n’en reste pas moins que son utilité va au-delà de cette évidence. Compte tenu des performance de FreeCAD, il est possible de concevoir des systèmes complexes inertes ou animés, dont la position ou le mouvement de chaque sous-ensemble est contraint par d’autres. Utiliser les angles de vue pré-réglés, tels que les vue de faces ou les vue de trois-quarts, permettent bien d’obtenir des points de vue différents du comportement des sous-ensembles entre eux. Pour autant, cette succession de points de vue ne permet pas toujours d’appréhender dans leurs globalités toutes les interactions en présence. La vue en rotation est alors un outil très interessant pour avoir un aperçu dynamique complet.
Un outil de communication
Il reste encore un avantage important à l’utilisation de cette option de vue en rotation. Savoir concevoir des systèmes 3D complexes est une chose, mais savoir communiquer sur les détails de leur conception, échanger des points de vue pour optimiser les designs ou trouver des solutions techniques, en est une autre. La vue en rotation trouve donc toute son utilité dans ce besoin de communication quelqu’en soit les raisons. Si « un bon croquis vaut mieux qu’un long discours » alors une vue en rotation vaut mieux qu’un croquis en 2D pour appréhender une conception en 3D !
Utilisation dans le projet BATLab112
FreeCAD est utilisé pour concevoir le diorama de la Batcave du projet BATLab112. Ce diorama présente des modèles réduits d’équipements industriels, à l’échelle 1/12. Ces équipement sont tous mobiles et leurs interactions en mouvement sont millimétrées, compte-tenu de l’espace restreint dans lesquels ils sont mis en oeuvre. Par conséquent, obtenir une image mentale la plus précise possible de ce puzzle en 3D est primordial.
Cet article décrit la conception détaillée d’une armoire de distribution électrique basse tension à l’échelle 1/12 pour le diorama de la Batcave du projet BATLab112. Il expose les contraintes mécaniques et fonctionnelles rencontrées, notamment l’importance d’une structure interne robuste pour maintenir les composants et faciliter les manipulations. Les systèmes réalistes à échelle réduite et leur…
La réalisation du prototype du poste HT/BT du diorama a mis en évidence les limites du mode opératoire initialement retenu pour la fabrication des armoires électriques. En particulier, l’absence de structure interne dédiée ne permet ni d’assurer une rigidité mécanique suffisante pour des manipulations répétées, ni de garantir un maintien adéquat et pérenne des composants internes de l’armoire.
L’objectif de cette démarche est double. Il s’agit, en premier lieu, de concevoir une structure interne générique, applicable à l’ensemble des armoires électriques du diorama de la Batcave. En second lieu, il convient de développer des équipements modulaires destinés à faciliter le câblage de ces armoires à l’échelle 1/12, tout en respectant de manière aussi fidèle que possible les principes de conception, d’implantation et de fonctionnement mis en œuvre à l’échelle réelle.
L’article présente la conception détaillée et la réalisation du premier prototype fonctionnel du poste électrique HT/BT à l’échelle 1/12 pour le diorama pédagogique de la Batcave du projet BATLab112. Il s’inscrit dans la phase de conception détaillée visant à reproduire avec fidélité les fonctions d’un poste électrique industriel.
Fondements du design proposé — Héritage de la phase de parangonnage
Le design présenté dans cet article, s’inscrit dans la continuité des articles précédents mais aussi de la phase de parangonnage des équipements électriques industriels existants. Dans cet article, une analyse systématique des systèmes existants à l’échelle 1 : 1, ainsi que des principes de fonctionnement et d’architecture interne des armoires de distribution, a été conduite afin d’identifier les contraintes techniques et mécaniques applicables à une reproduction à l’échelle 1 : 12. Ces éléments ont servi de base à l’élaboration des choix de conception retenus ici, notamment en matière de structure interne, d’intégration des modules (sectionneur, porte‑fusible) et d’optimisation pour fabrication additive.
Le design actuel reprend et adapte ces principes fondamentaux, en les contextualisant dans le cadre d’une approche modulaire et manufacturable par impression 3D. Cette démarche vise à garantir la fidélité fonctionnelle et mécanique des armoires tout en tirant parti des enseignements issus de la revue des équipements existants et des solutions techniques proposées dans l’article de conception détaillée original.
L’article examine les infrastructures industrielles de distribution électrique existantes en vue de leur adaptation à un diorama pédagogique représentant la Batcave. Il détaille d’abord la structure fonctionnelle d’un poste HTA/BT, qui abaisse la tension moyenne à basse tension et regroupe les dispositifs de protection, de transformation et de distribution. Ensuite, il analyse les armoires de…
Architecture des armoires de distribution électrique à l’échelle 1/12 du diorama de la Batcave
Entrées / Sorties
Les armoires de distribution électrique sont systématiquement dotées d’une entrée d’alimentation et de six sorties. À la date de publication de cet article, ce nombre de sorties excède les besoins liés aux équipements actuellement intégrés au diorama de la Batcave dans le cadre du projet BATLab112. En effet, quatre équipements sont à ce stade en cours de développement : la plateforme rotative, le pont élévateur, le pont roulant et les bras robotiques. Ces dispositifs sont chacun commandés et alimentés en énergie électrique par l’intermédiaire de leurs consoles de commande respectives. Les deux sorties restantes, volontairement non affectées, ont été prévues afin d’anticiper et de faciliter l’intégration d’évolutions fonctionnelles et de nouveaux équipements ultérieurs.
Pour + d’informations concernant la conception à l’échelle 1/12 des équipements industriels présents dans le diorama :
Les armoires de distribution électrique intègrent deux modules internes principaux : un sectionneur et un porte-fusible. Ces deux dispositifs ont été spécifiquement conçus et développés pour répondre aux exigences du projet BATLab112. Leur conception prend en compte les contraintes propres à une réalisation à l’échelle 1/12, tant sur le plan dimensionnel que sur celui de l’assemblage, tout en respectant les principes de fonctionnement, de sécurité et d’architecture habituellement mis en œuvre pour ce type de modules à l’échelle industrielle réelle.
Ces deux modules sont conçus pour être solidarisés à la structure interne au moyen de boulons de type M2, garantissant à la fois un positionnement précis, une fixation mécanique fiable et une facilité de démontage compatible avec les opérations de maintenance et d’évolution du système.
Principe de fonctionnement des armoires de distribution électrique du diorama
Lorsque le sectionneur est basculé en position haute, la tension d’entrée est alors distribuée à l’ensemble des sorties de l’armoire. Les fusibles assurent une fonction de protection contre les surintensités susceptibles de survenir à la suite d’un dysfonctionnement de l’un des équipements du diorama. À l’inverse, lors du basculement du sectionneur en position basse, correspondant à l’ouverture des deux interrupteurs, l’ensemble des circuits de sortie est totalement isolé de la source d’alimentation électrique.
La tension d’entrée applicable à une armoire de distribution électrique peut correspondre à l’une des trois tensions continues utilisées par les équipements du diorama, à savoir 5 VDC, 6 VDC ou 12 VDC. Le courant maximal délivrable en sortie est déterminé conjointement par le calibre des fusibles installés et par la section du câblage interne de l’armoire. Dans sa première version, le dispositif est équipé de fusibles d’un calibre de 1 A par sortie, conduisant à un courant maximal total de 6 A en entrée.
Modélisation 3D de la structure mécanique des armoires électriques du diorama
Screenshot 1 : Structure interne – Aperçu 3D 3/4 face
Screenshot 2 : Structure interne – Aperçu 3D 3/4 arrière
Présentation générale
La réalisation du prototype du poste HT/BT a mis en évidence les limites du mode opératoire retenu pour la fabrication des armoires électriques. En particulier, l’absence de structure interne ne permet pas d’assurer une robustesse mécanique compatible à la fois avec les contraintes d’exploitation imposées par le diorama et avec des manipulations régulières.
La conception d’une nouvelle structure interne vise à remédier à ces insuffisances en permettant la fabrication d’armoires électriques présentant des caractéristiques mécaniques adaptées aux exigences du diorama. Cette structure est spécifiquement destinée à être réalisée par fabrication additive, au moyen de l’impression 3D, afin de garantir précision dimensionnelle, répétabilité et facilité d’évolution du design.
Description détaillée
Screenshot 1
La structure interne intègre des perforations destinées à l’assemblage par boulonnage des enveloppes internes et externes.
Les emplacements pour les 6 connecteurs de type Jack en sorties.
L’emplacement pour le presse-étoupe du câble d’entrée, issu du convertisseur de puissance.
Le design global de cette structure a été optimisé pour permettre une impression 3D sans recours à des supports pour les surplombs, afin de réduire la consommation de matière et de simplifier le processus de fabrication.
La structure interne est pourvue de perçages permettant le boulonnage des armoires sur le sol du local électrique, assurant ainsi leur stabilité lors de la manipulation des portes, des boutons-poussoirs ou des interrupteurs.
Screenshot 2
Renforts latéraux pour accroitre la rigidité de la structure
Chanfrein pour prendre en compte le pli des panneaux de l’enveloppe externe.
Barre de renfort et fixation des équipements internes de l’armoire électrique.
Barre de renfort et fixation des équipements internes de l’armoire électrique.
Barre de renfort et fixation des équipements internes de l’armoire électrique.
Barre de renfort et fixation des équipements internes de l’armoire électrique.
Modélisation 3D du module sectionneur des armoires électriques du diorama
Screenshot 3 : Sectionneur – Aperçu 3/4 face
Screenshot 4 : Sectionneur – Aperçu 3/4 arrière
Présentation générale
Le sectionneur de l’armoire de distribution électrique permet d’isoler le réseau électrique desservi par l’armoire, de l’alimentation en énergie électrique.
Description détaillée
Screenshot 3
Guide de fixation des borniers de câblage
Bornier de câblage d’entrée réalisé à partir d’un domino électrique 230V 1,5mm2.
Structure de montage du sectionneur réalisée par impression 3D.
Deux interrupteurs à bascule comme sectionneur coupe circuit.
Bornier de câblage de sortie réalisé à partir d’un domino électrique 230V 1,5mm2.
Screenshot 4
Patte de fixation du module sectionneur sur la structure interne de l’armoire électrique.
Structure du module sectionneur réalisé par impression 3D.
Perforation pour faciliter le montage des borniers de câblage.
Modélisation 3D du porte fusible des armoires électriques du diorama
Screenshot 5 : Porte fusible – Aperçu 3/4 face
Screenshot 6 : Porte fusible – Aperçu 3/4 face
Présentation générale
Les fusibles protègent les circuits électriques contre les surintensités. Pour protéger les 6 circuits de sorties de l’armoire de distribution, 6 portes fusibles sont donc nécessaires. Cependant, pour des raisons d’encombrement de ces portes fusibles et pour s’assurer que le câblage associé soit simple, la solution retenue repose sur un porte fusible intégré de 6 fusibles plats.
Description détaillée
Screenshot 5
Borniers de câblage des bornes positives des circuits.
Fusibles plats.
Screenshot 6
Borniers de câblage des bornes négatives des circuits.
Modélisation 3D des composants de l’armoire électrique avec FreeCAD
Dans cette phase de conception préliminaire, seul le design général de la structure mécanique de la console de commande est modélisé. L’assemblage des différentes sous-parties n’est pas pris en compte ici. Il s’agit avant tout de valider la faisabilité technique de ce design ainsi que son intégration à l’échelle 1/12. Les détails de l’assemblage des différents sous-ensembles se fera lors de la réalisation du premier prototype.
Un aperçu de quelques designs complémentaires conçus spécifiquement pour les besoins du projet BATLab112.
GrabCAD
Les fichiers des modèles 3D utilisés lors de la conception préliminaire du poste HT/BT équipant la Batcave du projet BATLab112 sont téléchargés à partir de la plateforme GrabCAD.
Ces modèles, téléchargés depuis la plateforme GrabCAD, sont utilisés dans cette phase de conception détaillée, afin de valider les assemblages mécaniques entre ces différents sous-ensembles.
Voir aussi
Des articles sur l’avancement du réseau de distribution électrique du diorama
Le diorama du projet BATLab112 est développé sur fond propre. En 2018, lorsque j’ai cherché un logiciel de conception et de modélisation 3D , il n’était pas envisageable d’investir sur des logiciels tels que SolidWorks ou AutoCAD. J’ai ainsi orienté mes recherches du côté des logiciels libres de droit en espérant trouver une solution fiable et performante. Un autre paramètre déterminant pour moi, utilisateur quotidien d’ordinateur Apple, ce logiciel devait fonctionner sous MacOS.
Une communauté active.
Mes premiers critères de sélection dans le choix d’un logiciel libre sont le dynamisme de sa communauté de développement ainsi que la pertinence technique des mises à jour. Concernant le dynamisme de la communauté FreeCAD le contenu du site web officiel : https://www.freecadweb.org est suffisant pour ce faire une idée ; les dernières informations sont récentes et le forum très réactif. Pour ce qui est de la pertinence des mises à jours; la page wikipedia https://fr.wikipedia.org/wiki/FreeCAD#cite_note-0.19-73 listant et détaillant ces mises à jour est là aussi suffisante. Elles sont régulières et apportent de réelles plus-values.
Un premier contact satisfaisant.
Au début de l’année 2018, je télécharge la version 0.16 de FreeCAD. A l’aide de quelques tutoriels, je me familiarise vite avec son ergonomie, après avoir compris l’essentiel dans son processus de conception : objet, esquisse, … Le diorama du projet BATLab112 commence alors à prendre forme.
Des caractéristiques intéressantes.
Comme évoqué, je ne voulais pas me satisfaire d’un logiciel juste parce que ce dernier est gratuit. Mais, je ne voulais pas non plus me laisser séduire par un logiciel facile à prendre en main et dont je serai vite soumis à ses limites. FreeCAD est un logiciel de conception en 3D volumétrique paramétrique. Ce n’est certes pas le plus simple d’utilisation des logiciels de CAO 3D gratuits, cependant il est certainement parmi les plus performants de sa catégorie. Après quatre ans d’utilisation au service du projet BATLab112, je n’ai encore pas sentis de limites dans ses capacités techniques.
Quelques fonctionnalités intéressantes
Autres que les fonctions conventionnelles que l’on peut attendre d’un logiciel de conception 3D, voici une liste de quelques fonctionnalités que j’ai particulièrement appréciées à l’usage.
Le module de dessin industriel, autorisant des plans avec cotations
Le mode d’affichage « vue en perspective » pour un rendu plus réaliste
L’introduction de cette nouvelle séries d’articles dédiée à l’utilisation de FreeCAD dans le projet BATLab112 est l’occasion de revenir sur les débuts du projet.
Dès les premiers instants du projet BATLab112, la nécessité d’utiliser un logiciel de conception 3D s’est avéré indispensable. Je n’avais pas une idée précise de l’apparence final du diorama. J’en avais défini les grandes lignes ; réalisme dans la représentation et fonctionnement opérationnel des équipements industriels, approche pédagogique évolutive dans l’appréhension de ces équipements. Même si la définition générale du projet n’était pas encore aboutie j’avais besoin de rendre plus concrètes certaines idées.
Un double intérêt
L’autre objectif, consistait à remettre à jour mes compétences dans l’utilisation d’un logiciel de CAO 3D. Ma dernière expérience professionnelle dans le domaine remontait à quelques années déjà avec la version Lite du logiciel AutoCAD édité par AUTODESK.
Des avantages mesurables
Pour être honnête je dois quand même avouer que ma volonté d’utiliser un logiciel de CAO 3D à d’abord été dictée par mon objectif de compétence professionnelle. En effet, dans la phase d’incubation du projet, j’ai visionné beaucoup de vidéos de tutoriels ou de démonstration de fabrication à la main de systèmes électromécaniques. Les principes de montage reposent pour beaucoup sur le collage à chaud de pièces de cartons, de bois ou de métal. Ces vidéos me fascinent toujours par la sensation de facilité et de rapidité d’exécution qu’elles dégagent. Elles m’ont amenés à me tester sur leurs pratiques. Pour cela nul besoin de logiciel de conception ! Mais j’ai très vite compris les limites de telles pratiques. Le manque d’anticipation dans la conception entraîne immanquablement des erreurs qui oblige souvent à recommencer, entraînant une perte de temps et un gâchis de matière. De plus, modifier ou démonter ces réalisations étant impossibles ou du moins très fastidieux, cela amplifie encore la tendance au gaspillage. C’est à ce moment que j’ai compris quelles sont les réels avantages d’un logiciel comme FreeCAD pour le projet : une conception réfléchie, anticipant des erreurs de perception et évitant ainsi des impasses et économisant du temps, tout en élaborant des systèmes complexes sans consommer de matières.
Cet article présente l’implantation générale des cartes électroniques du prototype de la console de commande des équipements électriques de la Batcave du projet BATLab112.
Le cahier des charges met en avant la présence de quatre équipements industriels nécessaires pour la maintenance de la Batmobile ; la plateforme rotative, le pont élévateur, le pont roulant et les bras robotiques. Chacun de ces équipements doit être piloté soit en mode automatique, à partir d’un système centralisé, soit en mode manuel. Pour chaque équipement industriel, les commandes manuelles sont regroupées sur une console de commande, assurant aussi l’interface avec le système central.
Cette console de commande est composée de 3 cartes électroniques, 2 cartes Arduino et 2 écrans tactiles. Seules, les cartes du panneau des commandes et des relais sont réalisées pour les besoins spécifiques du projet BATLab112. Les autres cartes sont des cartes manufacturées, choisies pour leurs caractéristiques techniques ainsi que leurs dimensions conforme avec les dimensions du diorama.
Cartes électroniques de puissance
Les deux cartes électroniques de puissance sont implantées à l’intérieur de la console de commande. Les deux cartes sont maintenues par 4 vis contre la face avant de la console. La face composants des cartes est accessible depuis l’arrière de la console, avant fixation du panneau de support des écrans.
La carte relais (à gauche) créée pour le projet BATLab112. Ces relais sont utilisés dans les commandes en logique câblée ; auto maintien.
La carte de contrôle des mini moto-réducteurs 6VDC est réalisée à partir d’un contrôleur double pont L298N. Elle permet de sélectionner le sens de rotation des moteurs.
Cartes Arduino
Les cartes Arduino Uno et Arduino Mega sont implantées à l’arrière du panneau de support des écrans des contrôle. La face de dessus face visible pour permettre le câblage des cartes avec les autres cartes électroniques de la console de commande.
La carte Arduino Mega pilote l’écran principal, en charge de l’affichage et de l’horodatage des commandes activées par le panneau des commandes.
La carte Arduino Uno, pilote l’écran secondaire en charge de l’affichage de l’état général de l’équipement pilote (Bras robotique, Pont roulant, Plateforme rotative, Pont élévateur …).
Panneau des commandes
La carte électronique du panneau des commandes, développée pour le projet BATLab112 est implantée dans la face inclinée du pupitre de commande. Cette carte supporte tous les organes de commande ; boutons poussoirs, bouton d’arrêt d’urgence, commutateurs, voyants … Le câblage de cette carte avec les autres cartes électroniques de la console de commande, s’effectue par l’intérieur du pupitre, avant fixation du panneau de support des écrans de contrôle.
Ecrans de contrôle
Modélisation 3D
FreeCAD
La modélisation de la plateforme rotative de la Batmobile équipant la Batcave du projet BATLab112 a été réalisé avec le logiciel FreeCad V0.19.
Les fichiers des modèles 3D utilisés lors de la conception préliminaire du poste HT/BT équipant la Batcave du projet BATLab112 sont téléchargés à partir de la plateforme GrabCAD.
Ces modèles, téléchargés depuis la plateforme GrabCAD, sont utilisés dans cette phase de conception préliminaire, afin de valider les assemblages mécaniques entre ces différents sous-ensembles et la structure de la console de commande.
BATLab112 