DeltaFold

From RepRap
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La DeltaFold est la première imprimante 3D de type Delta PLIABLE !!!.

Elle est la solution pour les makers mobiles et ceux qui cherchent une vraie imprimante 3D de bureau capable de se faire toute petite. Elle a été conçue pour être facile à ranger, à transporter, à mettre en oeuvre et hautement maintenable.

  • Pliée elle rentre dans un sac de tapis de sol de camping
  • Avec son poids plume (moins de 6Kg), la DeltaFold vous suit partout
  • Sa mise en oeuvre ne prends pas plus de deux minutes
  • La plupart des pièces d’assemblage sont imprimées en 3D, ce qui la rend auto-reproductible.
  • L'électronique s’appuie sur des solutions OpenSource robustes, largement répandues et dont la modularité garantie un haut degré de maintenabilité.
  • déployée elle offre un volume d’impression digne des plus grandes.


Dimensions de la DelaFold dans sa v3:

  • Hauteur hors tout : 730mm
  • Imprimante ouverte, le chassie fait 373mm de diamètre
  • Fermée, il ne fait plus que 180mm de diamètre
  • Volume d'impression : 220mm de diamètre sur une hauteur de 220mm
  • Deploiement.jpg
  • DeltaFoldPlan 01.png
  • DeltaFoldPlan 03.png

  • L'objectif de cette publication est de partager avec vous l'expériance que j'ai acquise en réalisant ce projet. Lorsque j'ai débuté, en 2014, je n'avais aucune connaissance concernant les imprimantes 3D. Je ne savais ni comment elles fonctionnaient, ni de quoi elles étaient constituées. J'ai donc commencé par m'instruire en lisant des posts, des fils de discutions et des articles (notamment ici, sur RepRap.org). Les modèles ne manque pas : Darwin, Mendel, Prusa et leurs innombrables variantes (allez voir ici)… Mais moi, celles qui me faisaient rêver, c'était les Deltas style Rostock , Kossel et autre Delta-Pi! Rapidement (en 2015) je me lance dans la fabrication de ma première imprimante 3D, from scratch, car oui j'ai besoin de faire pour apprendre et rester motivé :) Cette première construction se passe plutôt bien et l'obtention des premières impressions me donne envie d'aller plus loin en concevant et fabriquant ma propre imprimante 3D. Puisque j'en ai désormais une (imprimante 3D), je peux imprimer les pièces d'une autre auto-reproductible celle-ci : une RepRap quoi !

    Alors vouloir concevoir et fabriquer sa propre imprimante c'est bien, mais quelles caractéristiques intéressantes pourrait-elle avoir que d'autres n'ont pas déjà ? C'est en explorant ce champ des possibles que j'ai élaboré mon cahier des charges. Ensuite, je me suis posé plein de questions et ai exploré plein de pistes pour y répondre au mieux. Une succession d'idées, de tests, d'impasses, de succès et de satisfaction.

    Au final, grace à ce projet j'en ai beaucoup apris concernant la conception (modélisation 3D), la fabrication (utilisation des slicers) et l'utilisation des imprimantes 3D. Et si je l'ai fait, toi aussi ,jeune Padawan, tu peux le faire! Si tu aimes ce qui a trait à la technique, à l'électronique, au bricolage, au DIY quoi (et que tu as un peu de temps aussi, parcqu'on va pas se mentir, si tu accroches tu risques d'oublier de manger et de dormir pendant un certain temps... enfin, ça je te laisse gérer; ), alors je ne saurais trop t'encourager à t'immerger dans l'univers passionant de l'impression 3D. Et si, comme moi, tu éprouves autant (voir plus) de plaisir à construire les machines qu'à les utiliser, alors pourquoi ne pas te lancer dans la confection de ta propre imprimante 3D ?! De type Delta ?! Et pliable ?! Good choice, je vais tout t'expliquer!


    Le cahier des charges :

    Comme évoqué précédemment, pour réaliser mon cahier des charges je me suis interrogé sur les besoins auxquels mon imprimante devrait répondre, et deux aspects me sont apparus particulièrement intéressants :

    • l'encombrement : Ma première imprimante faisait 1m de haut et 40 centimètres de diamètre ! Pas très pratique pour la ranger lorsque je ne l'utilise pas...
    • la transportabilité : L'impression 3D, c'est la possibilité d'acheminer relativement facilement un outil de production universel au plus près du besoin. L’impression 3D permet de fabriquer beaucoup de choses et donc de limiter les provisions de matériels de rechange. On remplace le stock de pièces de rechange par l'outil qui permettra de les fabriquer à la demande. Cet aspect est particulièrement intéressant lorsque les sites sont difficilement accessibles. Imaginons par exemple que je me rende pour l'été dans un gite de montagne. Ce dernier n'est accessible qu'à pied. Au lieu de faire le choix entre apporter tout ce qui potentiellement pourrait m'être utile et prendre le risque que quelque chose me fasse défaut, si je peux y apporter une imprimante 3D et du filament, j'aurais la possibilité de construire sur place les objets dont j'aurais besoin (dans la limite des possibilités de l'impression 3D évidement). Cette même réflexion peut être transposée à l'échelle des interventions humanitaires dont le stockage et le transport d'un certain nombre de matériels, dont les raccords de canalisations d'eaux dont les normes diffèrent d'un pays à l'autre, pourraient avantageusement être remplacés par de la fabrication additive sur place. On fabrique les pièces adaptées aux besoins et en quantité nécessaire. Pour approfondir cet aspect, vous pouvez consulter cette étude : Shrinking the Supply Chain:Hyperlocal Manufacturing and 3D printing in Humanitarian Response

    Il se trouve que ces deux critères sont totalement complémentaires puisque la transportabilité dépend, entre autres, de l'encombrement. Je tenais donc mon point de départ : une imprimante 3D de campagne.

    J'ai donc décliné cet objectif en besoins à couvrir et c'est ainsi que j'ai éloboré mon cahier des charges :

    • Transportable : Pour être transportable à dos d'homme, le poids de la machine devra idéalement se situer autour de 5Kg (hors consommables) et son encombrement devra être réduit.
    • Hautement maintenable : Facile et rapide à réparer, privilégier la possibilité de remplacer temporairement les organes sensibles tels que l'électronique ou la tête d'impression
    • Bon marché
    • Comparable aux modèles de bureau, notamment en terme de volume d'impression
    • Facile à mettre en œuvre et à utiliser : Il ne faut pas perdre une heure à l’installer, la calibrer ou la ranger. La mise en œuvre et le rangement devront êtres intuitifs
    • Sécurisée : Si le modèle est transportable, il pourra vraisemblablement intéresser celles et ceux qui font des démonstrations ou bien portent cet outil de fabrication additive au plus près des usagers. Il y a donc fort à parier qu’il se trouvera au contact d’utilisateurs lambda, la conception devra donc permettre d’éviter les risques les plus probables :
      • Brûlure : on ne devra pas pouvoir toucher l’extruder
      • Pincement, coupure : On ne devra pas pouvoir toucher les poulies, les courroies, les ascenseurs et toute pièce en mouvement
      • Choc électrique : Le module d’alimentation et l'électronique devront être inaccessibles.
      • Composés organiques volatiles : Les utilisateurs ne devront pas être exposés aux COV émis lors des impressions
    • Sobre à l'usage : Possibilité de l'alimenter avec des sources électriques de faible puissance (prise allume-cigare d'une voiture ou panneaux solaires)
    • Un projet Francophone : Parceque j'ai trouvé relativement peu de ressources en Français et que je pense que ça peut être utile :)

    Déclinaison en objectifs

    • Transportable : C'est là un des aspects essentiels de mon projet. Je veux que mon imprimante puisse être facilement transportée. Ceci implique qu'elle doit avoir un poids et un encombrement limité, mais sans sacrifier le volume d'impression ! Pour résoudre ce dilemme, je n'ai trouvé qu'une solution : Rendre l’imprimante pliable. Le principal avantage de cette solution est le gain de volumes qui sera appréciable lors du transport comme lors du rangement chez soi lorsqu'on ne s'en sert pas. Les principaux inconvénients : La complexification de la conception, du montage et probablement de l'utilisation ainsi que la diminution de la rigidité du chassie puisqu'il sera articulé, ce qui entrainera vraisemblablement, à vitesse identique, une baisse de la qualité d'impression. Cette imprimante ne devrait donc pas être des plus précises, mais dans la mesure où sa destination est l'impression d'objets utiles ou fonctionnels et non cosmétiques, ça devrait le faire ! Concernant le volume de transport qui me semble acceptable, si je m'en réfère a mes désormais lointaines années de scoutisme, je dirais que le volume d'un tapis de sol plié me semble correct, soit un cylindre d'environ 80cm de haut pour environ 20cm de diamètre lorsque l'imprimante est pliée. Un autre aspect essentiel de la transportabilité est le poids. Si on veut la transporter à dos d'homme, elle devra idéalement peser le moins lourd possible. Je considère qu'un objectif raisonnable se situerai autour d'un poids de 5Kg hors consommables. Enfin, pour être transportable, l'imprimante doit être robuste. Il m'est difficile de définir un objectif chiffré sur ce point, mais je peux également imaginer qu'un sac de transport pourra être confectionné.
    • Hautement maintenable : En cas de panne, on doit pouvoir réparer rapidement, ce qui implique plusieurs choses :
      • Je vais privilégier la modularité afin d'offrir la possibilité de remplacer rapidement un organe défectueux. Il y a trois modules sensibles : la tête d'impression, l'électrique de commande et l'alimentation.
      • L'imprimante sera auto-reproductible. Ce qui signifie que les pièces en plastique qui composent l'imprimante pourront être imprimées avec l'imprimante elle-même.
      • Les composants électroniques seront issus de solutions OpenHardware modulaires elles aussi.
    • Bon marché : Pour permettre au plus grand nombre d'adopter cette imprimante, elle doit rester relativement accessible. L'objectif est d'atteindre un prix des fournitures autour de 350€TTC
    • Volume d'impression confortable : Le terme "confortable" est totalement subjectif. Disons que je souhaite obtenir le meilleur volume d'impression tout en contenant le volume de transport définit précédemment. Pour moi, un volume d'impression confortable se situe autour de 220mm de diamètre sur 250mm de hauteur minimum.
    • Simple à mettre en œuvre et utiliser : Le risque avec une imprimante pliable, c'est que tous les réglages de calibration soient à refaire à chaque mise en œuvre. C'est un peu le reproches que je pourrais faire à la très connue FoldaRap qui certes est hyper-transportable, mais nécessite un contrôle et une calibration de la géométrie à chaque dépliage. Pour résoudre ce problème, l'imprimante devra être pourvue d'une calibration automatique.
    • Sure :
      • Les utilisateurs et éventuels spectateurs ne doivent pas pouvoir se faire mal. Pour prévenir les accident, le plus simple est d'empêcher l'accès à l'intérieur de l'imprimante. J'envisage donc la possibilité de déployer un film rigide transparent autour de l'imprimante. Il aura pour effet d'empêcher le mettre les doigts ou tout autres choses dans l'imprimante et permettra d'isoler l'impression des courants d'air (ce qui peut être très utile lorsque l'imprimante se situe dans un courant d'air). S'il est fermement fixé au chassie, il pourrait même constituer un élément de rigidité supplémentaire pour notre imprimante. Sur cette action, on ferait d'une pierre trois coup !
      • Les COV sont des particules nocives émises lors de l'impression 3D. Ces émissions dépendent du matériau utilisé et de sa température d'extrusion. Le matériau le moins nocif à l'heure actuelle est le PLA. C'est un matériau issu de la transformation d'amidon d'origine végétal, une matière première renouvelable. Attention cependant, une bobine de PLA peut contenir autour de 10% d'additifs dont la nature et donc la nocivité n'est que rarement communiquée par le fabricant. Dans tous les cas, n'oubliez pas d'aérer les pièces ou vous réalisez vos impressions et n'imprimez jamais dans un pièce à vivre ! Pour plus d'informations concernant les risques associés à l'impression 3D utilisant des matières plastiques, rendez-vous sur le site de l'INRS.
    • Sobre : Si l'on veut pouvoir alimenter l'imprimante avec la batterie de la voiture ou des panneaux solaire, il faut limiter sa consommation. Un élément déterminant pour la consommation de l’imprimante est la présence ou non d’un lit chauffant. L’alimentation de l’imprimante (moteurs, cartouche de chauffe et électronique) nécessite un courant d'environ 5A sous 12V. En ajoutant un lit chauffant, il faudrait délivrer 12A supplémentaires !. La bonne nouvelle, c'est que le PLA que nous avons privilégié précédemment pour des raisons de santé a la bonne idée de ne pas requérir de plateau chauffant ! Voici donc deux excellentes raisons de destiner cette imprimante à l'utilisation du PLA. Dernier avantage du PLA, sa température d’extrusion qui est relativement basse par rapport aux autres plastiques, ce qui signifie moins de puissance consommée pour l’extrusion.

    Le choix des composants

    Après avoir étudié de nombreuses solutions pour chaque élément, voici les composants sur lesquels mon choix s'est porté :

    • Colonnes en profilés aluminium 20x20 de type V-Slot : Ces profilés aluminium sont très répandus. Le terme V-Slot fait référence à la forme en V des cotés sur lesquels peuvent se déplacer des roues au profil adapté.
    • Les chariots qui se déplaceront sur les profilés aluminium seront imprimés en PLA et équipés de trois roues en caoutchouc. Il est possible d'imprimer les pneus, mais ceux achetés bénéficient d'une meilleure finition. Il sont notamment plus lisses. Les chariots sont pourvus d'un système de réglage de la pression exercée par les roues contre le profilé alu.
    • Des courroies de type GT2 assureront le transfert de mouvement entre les moteurs pas à pas et les chariots. D'autres solutions sont possibles : fil de pêche ou vis, mais ces solutions sont plus difficile à mettre en œuvre. L'avantage des courroies GT2 est qu'elles s'insèrent parfaitement dans les rainures des profilés aluminium. Elle deviennent ainsi invisibles, sont protégées des accrocs accidentels et ne présentent pas de danger pour les usagers (pincement de doigts par exemple).
    • Des moteurs seront utilisés pour gérer les mouvements. J'ai choisi les modèles 17HS16-2004S pour leur bon rapport poids/couple/prix. Ce sont des moteurs pas à pas de type NEMA17 très couramment utilisés pour la fabrication des imprimantes 3D. Voici un petit comparatif qui m'a permis de choisir mon moteur :

    ComparatifNema17.png

    • L'électronique sera composée d'une carte arduino MEGA + RAMPS (1.4 ou 1.5 ou 1.6) + Ecran LCD. Il s'agit de matériels OpenHadware largement utilisés, ce qui contribue à la maintenabilité et au faible cout de l'ensemble. Il existe également des cartes mères plus compactes qui intègrent les drivers moteurs, mais lorsqu'un d'entre eux est défectueux, c'est toute la carte qu'il faut changer. Avec une solution Arduino MEGA + carte RAMPS + Drivers moteurs, on ne change que LE composant qui est défectueux. Voici un comparatif des différentes cartes disponibles
    • Ecran full graphique 128x64 : j'ai choisi un écran LCD graphique 128x64 pour le confort de l'interface, mais un écran de quatre lignes de caractères fonctionne également et consomme moins de ressources CPU, ce qui peut s'avérer intéressant car avec l'écran graphique il est parfois difficile de se déplacer dans les menus lorsqu'une impression est en cours.
    • Alimentation électrique : J'ai fait le choix d'utiliser une alimentation électrique externe afin de ne pas avoir à intervenir sur des tensions secteur (240v~). Je joue donc ici la sécurité. Compte tenu du cahier des charges, une alimentation 12V 5A est suffisante.
    • Plateau : C'est encore un questionnement, mais un plateau en bois surmonté d'une vitre fonctionne parfaitement. Ce n'est en revanche pas très transportable (surtout le verre). J'ai fait des essais avec des plateaux en plexy, ce n'est pas adapté car lorsque la buse est chaude, si elle rentre en contact avec le plateau, elle y fait un petit trou.
    • Les bras : Ils font le lien entre les ascenseurs et l'effecteur (la plateforme ou se situe l’extruder). Ces bras doivent être suffisamment rigides et opérer avec le moins de jeu possible pour déplacer l’extruder avec un maximum de précision. J’utiliserai des tiges en fibre de carbone (chères, on en trouve pas partout, mais elles sont rigides et légères) ou en alu (rigides, moins légères, mais bien meilleur marché et faciles à trouver)
    • Les liaisons rotules : Elles seront assurées par des billes en acier fixées aux extrémités des bras et en contact avec des aimants en forme d’anneaux. Cette solution présente l'intérêt d’être facilement démontable par rapport à des assemblages avec des biellettes par exemple. C'est également une solution qui ne présente aucun jeu. Elle permets enfin aux éléments de se déconnecter en cas de collision au lieu de casser. Il faut en revanche bien choisir le couple aimant/bille d'acier afin d'avoir un contact suffisamment puissant pour que les éléments ne se détache pas inopinément, mais pas trop au risque d'augmenter les frottements et potentiellement induire des vibrations (constaté sur un modèle).
    • L'extrudeur (le module qui fait fondre le filament) sera le modèle le plus standard. Un E3Dv6 ou équivalent fera tout à fait l'affaire. Il existe plusieurs déclinaisons pour chaque modèle (tout acier ou non, divers diamètre de buses, divers alliages...). Dans le cadre de notre utilisation qui se limitera à du PLA, n'importe quel modèle fera l'affaire. Les variantes sont destinées à l'impression de matériaux spéciaux qui nécessite des températures élevées ou qui peuvent être abrasifs. Mon choix se porte sur un extrudeur E3Dv6 avec une buse de 0,5mm adapté aux filament de section 1,75mm.
    • Le feeder (c'est le module qui tracte le filament jusqu'à l'extrudeur) : Il est composé d'un moteur avec une roue crantée montée sur l'axe et d'un roulement à bille qui presse le filament sur cette roue crantée. C'est un organe que l'on trouve régulièrement fixé au dessus de l'extrudeur qu'il alimente en filament. Il peut également être déporté de quelques dizaines de centimètres de l'extrudeur auquel il est alors relié par l'intermédiaire d'un conduit en PTFE dans lequel circule le filament. C'est dans cette seconde configuration que nous nous placer, car ce feeder est trop lourd pour être installé sur l'effecteur. Il est préférable de ne pas le fixer sur l'élément en mouvement sans quoi il va engendrer une forte inertie, des vibrations, de la consommation d'énergie... etc. Ce montage déporté porte le nom de "montage type bowden"
    • Le firmware : C'est le programme central qui, pour réaliser les impression 3D, piloter tous les équipements : il mesurer la température de l'extrudeur et déclencher ou non sa chauffe, fait tourner le moteur du feeder pour alimenter l'extrudeur en filament, fait tourner les moteurs pour faire monter et descendre les ascenseurs qui déplaceront l'effecteur en respectant les vitesses et les accélérations prédéfinies, affiche les informations sur l'écran pour l'utilisateur... etc. Le firmware c'est le cerveau de l'opération. C'est un programme qui comporte une grande quantité de paramètres que l’utilisateur doit positionner et qui peuvent être unique pour chaque imprimante (longueur des bras, diamètre du lit d’impression…). Il existe plusieurs firmwares. Ils ont tous le même objectif, mais ne présentent pas tous les mêmes possibilités. Chaque firmware a ses adeptes et une communauté plus ou moins active. Pour plus de détails, consultez la liste des firmwares disponible ici : http://reprap.org/wiki/List_of_Firmware. Celui que j'ai choisi c'est Marlin Firmware. C'est celui qui me semble le plus répandu, évoluer rapidement et régulièrement, qui possède des fonctionnalités avancée et bénéficie d'une communauté très importante.

    A qui s'adresse-t'elle ?

    • Avant tout aux Makers car il faut aimer comprendre, fabriquer, ajuster, calibrer, dépanner pour se lancer la fabrication de cette machine.... Mais le bonheur est bout du chemin :) Disciples du Plug&Play ne vous aventurez pas sur ce terrain, sauf si vous êtes en pénitence ou en rémission, l'expérience pourrait sinon vous être fatale :D
    • A ceux qui font de la médiation : Sa transportabilité, facilité de mise en œuvre et maintenabilité en font une machine de choix. De plus, comme c'est une Delta, elle permet une observation de l'impression en cours à 360°, ce qui n'est pas toujours le cas avec les machines cartésiennes ou carénée.

    Les publications

    2021

    Évolution de l'ensemble haut (poutrelle + étoile +verrou + spool holder) Cette nouvelle version améliore le blocage de l'étoile et des poutrelles, intègre un roulement plat pour le spool-holder et règle de façon plus simple le problème de désaccouple du spool-holder

    2020
    Effecteur magnétique en cloche avec sonde de plateau intégrée pour HotEnd E3Dv6 ou XCR-BP6 : https://www.thingiverse.com/thing:3602203
  • EffecteurClocheV3-Hexa.jpg
  • 2019
    Boitier v4 pour Arduino + RAMPS + LCD : https://www.thingiverse.com/thing:3383359
    ClapExtruder DualDrive : https://www.thingiverse.com/thing:3399418
  • CHACRAS 3Dview.jpg
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  • 2018
    Boitier v3 pour Arduino + RAMPS + LCD : https://www.thingiverse.com/thing:2901904
    ClapExtruder SingleDrive : https://www.thingiverse.com/thing:2823957
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  • 2017
    Chariots : https://www.thingiverse.com/thing:2438667
    Effecteur Magnetic avec sonde plateau intégrée pour HotEnd E3Dv6 : https://www.thingiverse.com/thing:2024371
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  • 2016
    Boitier v2 pour Arduino + RAMPS + LCD : https://www.thingiverse.com/thing:1758859
    Bowden extruder v2 : https://www.thingiverse.com/thing:1758838
    Boitier v1 pour Arduino + RAMPS + LCD : https://www.thingiverse.com/thing:1633395
    Bowden extruder v1 : https://www.thingiverse.com/thing:1574983
  • BoitierRAMPS v2.JPG
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  • 2015
    Support bobine vertical : https://www.thingiverse.com/thing:1214657
    Effecteur magnetique pour HotEnd Merlin : https://www.thingiverse.com/thing:1000474
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  • Les versions successives

    2021 - le troisième prototype est en cours de finalisation

    Améliorations principales :

    • Optimisation de la taille des boucliers
    • Simplification de fabrication des fins de courses de chaque colonne
    • Nouveau boitier électronique plus spacieux avec prise centronics pour pouvoir changer tout le bloc électronique très rapidement.
    • Nouveau support de bobines avec roulement plat.
    • Nouveau système de verrouillage en position déployée qui améliore la rigidité.
    • Nouvel effecteur en forme de cloche : plus compacte et améliore la précision de l'impression
    • Evolution du ClapExtruder vers une version à double entrainement
    • Passage à la version de 2.0 de Marlin Firmware.
    • Optionel, mais que je recommande avec Marlin 2.x --> Remplacement de la carte Arduino MEGA par une carte Re-ARM (carte 32bits cadencé à 100Mhz)
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  • Seconde version

    • Evolution du support de bobine avec intégration d'un roulement à bille + système de maintien sur l'étoile haute
    • Evolution du support du moteur du feeder désormais plaqué sous l'étoile. Cette solution est plus robuste.
    • Evolution de l'étoile avec ajout de tubes PTFE pour guider les filaments avant l'arrivée au feeder
    • Evolution du système de croix, désormais réalisé en pexy à la place des cables. Supprime la difficile étape de réglage de tension des cables, mais alonge la mise en oeuvre de l'imprimante
    • Evolution des ascenseurs : augmentation de la rigidité
    • Evolution de l'effecteur pour y intégrer une sonde de plateau passive
    • Ajout d'un guide-cable sous l'étoile basse pour ranger les fils
    • Evolution du feeder avec le développement du ClapExtruder
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  • 2015 - Premier prototype de la DeltaFold

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  • 2014 - ma première imprimante 3D, une fabrication très artisanale

    C'est en 2014 que je commence à m'intéresser aux imprimantes 3D et décide de m'en fabriquer une : https://www.lesimprimantes3d.fr/forum/topic/532-mon-imprimante-delta/
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  • Le 28/10/2014 je réalise ma première impression 3D !

    Qui suis-je

    Salut, je m'appelle Hubert et je suis un curieux bricoleur :)

    CherHubert (talk) 18:18, 10 January 2021 (EST)