Début, mercredi 19 octobre 2016

Projet Print My leg, team 2 design

Le contexte

De tous temps l’être humain a tenté d’améliorer ses capacités physiques, de pallier aux défauts de la nature, ou de compenser les pertes de facultés dûes à des accidents. La médecine moderne en matière de prothèse a fait des progrès importants et nombreux au XXième siècle dans les pays développés.

Néanmoins ces progrès viennent avec des coûts financiers très élevés, ne sont pas à la portée du plus grand nombre, et n’apportent pas encore toutes les solutions que les personnes concernées pourraient souhaiter.

En 2012, Nicolas HUCHET, trentenaire et amputé d’une main à la suite d’un accident, découvre la fabrication numérique à Rennes. En 2016, Christophe, un salarié de la compagnie Airbus Toulouse fait des recherches sur la fabrication en 3D de modèles de coques de finition pour des prothèses de jambe conventionnelles. Lui-même, amputé sous le genou depuis l’adolescence et intéressé par les apports et la coopération que représentent les fablabs, se lance dans la recherche autour de la création numérique pour pallier l’absence d’esthétique des prothèses couremment distribuées dans le corps médical.

Par ailleurs, l’idée d’utiliser les Fablabs et la fabrication numérique pour les mettre au service des personnes vivant avec différents types de handicap fait du chemin un peu partout en France et dans le monde.

C’est avec l’idée de mettre à disposition d’un plus grand nombre de personnes handicapées des modèles pour faire soi-même ou faire faire au fablab près de chez soi, à l’aide de documentations sous licences libres, des aides prothésiques de qualité, adaptées et adaptables, reproductibles, modifiables, améliorables et redistribuables, que l’association MyHumanKit, Le Groupe Aibus, et quelques autres partenaires se sont associés pour organiser Le Fabrikarium, un hackaton de 3 jours qui a été le plus grand d’Europe dédié au handicap ayant eu lieu jusqu’ici. Le hackaton s’est déroulé dans les ateliers du lycée Airbus durant 3 jours, a mobilisé 120 personnes organisées en 13 équipes ayant travaillé sur 9 projets, lesquels seront documentés par une équipe constituée autour de Élisa, de Floss Manuals et publiés sous une licence libre. Ayant participé à ces 3 jours comme docsprinter (chargée de prendre des notes et de documenter l’un des ateliers), j’y ai appris l’existence d’un métier qui semble peu connu : le design orthopédique.

* Voir les hyperliens en fin de page pour des références.

Description du projet

L’objectif de cet atelier est de créer un prototype de coque open source, pour des prothèses de membres inférieurs qui soient décoratives, économiques à fabriquer, et facilement interchangeables. 3 jours sont dédiés pour rechercher des solutions techniques pour un modèle de coque esthétique qui n’existe pas encore : que ce soit en fiabilité ou en ergonomie et esthétique. Les utilisateurs de ces prothèses pourront alors vivre avec, sans nécessairement les cacher par les vêtements, et pourront de fait, faire oublier leur handicap, car l’ayant dépassé, pourront utiliser une prothèse totalement personnalisée et belle à voir.

L’open source permet de produire des objets à moindre coût et cela concerne donc aussi les appareillages à destination des handicapés.

Les personnes handicapées, ayant été amputées d’une jambe, utilisent une prothèse pour marcher. Ces prothèses peuvent équipées d’une coque ([en] : fairing) pouvant être personnalisée de sorte à être esthétique. Par ailleurs l’utilisateur s’appropriera sa prothèse en en choisissant l’aspect.

Par comparaison avec ce qui se pratique hors Open Source, chaque jour il lui sera possible, pour un coût abordable, de changer l’apparence de sa jambe artificielle, de plus ce qui est fourni en standard est généralement fonctionnel mais peu esthétique et les utilisateurs préfèrent cacher la prothèse et leur handicap, plutôt que de l’afficher de manière ostensible. Le but ici est donc de changer le regard sur le handicap, de la part de ceux qui croisent des personnes amputées, et pour celles-ci, de retrouver l’envie de vivre avec de manière naturelle, sans frein face au regard des autres.

 

 

 

 

 

 

 

Équipes de travail

Des makers, dont:

• Un ou des utilisateurs de prothèse ;
• Des prothésistes designers ;
• Un ou des designers (créatifs) ;
• Un prototypeur ;
• Un calculateur-optimiseur de structures ;
• Un designer mécanique ;
• un ou des imprimeurs 3D ;
• Un ou des graphistes ;
• Un fab manager ;
• Deux documentalistes.

L’équipe 1 travaille sur le choix d’une méthode d’assemblage d’une coque en deux parties, dont dépend le travail à venir de l’équipe de design (team 2). Les deux équipes échangent sur leurs contraintes respectives afin d’obtenir un résultat optimal : la méthode d’assemblage des deux coques doit être simple à utiliser au quotidien, pour la mise en place et pour le changement de coque (celles-ci étant, comme on l’a compris, personnalisées). Les supports sont des prothèses classiques fournies en standard par le corps médical en France, dotées au choix d’une tige tubulaire en aluminium, ou d’une tige centrale de forme plate en fibre de carbonne.

 

La discussion autour des divers détails techniques se fait par équipes échangeant de part et d’autre.

À noter, l’importance de différencier le design pour les dames et celui pour les messieurs, dans la forme et les couleurs des éléments de l’habillage.

Enfin, la coque qui va être prototypée est prévue pour des prothèses de jambe, mais elle pourra aussi être modifiée par la suite en de nouveaux modèles pouvant s’adapter à des orthèses : c’est à dire à des appareils de soutien de la marche : ce sont des appareils fournis à des personnes dont le muscle a perdu sa tonicité. Ces personnes en tout état de cause, pourront alors imaginer à nouveau se promener en public en short, si jusque là elles y avaient renoncé par pudeur vis-à-vis du regard des autres. La coque design amène un changement du regard du public sur le handicap. La personnalisation de la coque rend la confiance à l’utilisateur qui alors récupère une part de maîtrise sur l’objet qu’il personnalise à son gré.

Mercredi après-midi

Les deux équipes décident de travailler ensemble pour opérer une interaction entre le design et le choix du système de fixation des deux coques.

3 systèmes de fixation ont été imaginés. Ces trois systèmes, (vidéos Solution 1, Solution 2 et Solution 3) sont décris au tableau et expliqués par Christophe dans la mini vidéo suivante [vidéo 1-Sol-123.webm et 3-Sol-123.webm ci-dessous). En gros : “Sol 1” utiliserait un système de gonflage avec une chambre à air compressant les parois par l’intérieur ; “Sol 2” une solution à base d’aimants avec une fixation au tube de la prothèse et “Sol 3” une solution par serrage d’une vis à l’extérieur qui tire des sangles, comme sur les chaussures de snowboard.

 

Idée de fabrication de coque à partir d’un modèle en 2D : par découpe laser dans un contreplaqué de 3 mm (non marine, pour l’intérieur). Cela peut permettre de fabriquer des coques pour les aides à la marche (orthèses).

Liste d’articles qui vont être achetés pour tester des aspects design de la coque, demain matin, second jour du hackaton:

• Matières qui ne s’effilochent pas : feutrine, capiton ;
• Contreplaqué intérieur ;
• Pinceaux plats lisses synthétiques lot de plusieurs tailles ;
• Petit rouleau de peinture ordinaire ;
• tige métallique de deux mm ronde lisse ;
• vernis en bombe ;
• peinture bombe rouge, noire, argentée ;

Fin de la journée, discussion générale des deux groupes de l’équipe de prototypage “Print My Leg” sur les actions à poursuivre et les objectifs à réaliser demain pour le second jour.

Jeudi 20 octobre

Métier : Calculs de structures et optimisations numériques

L’objectif est de créer une nouvelle forme de coque plus facile à personnaliser et fabriquer dans le fablab près de chez soi.

Pour cela, il faut en fonction de tailles données de coques, faire des analyses de structure afin de déterminer l’architecture la plus efficace en termes de raideur (terme technique pour ce que l’on nomme communément rigidité) et de masse.

Nastran : logiciel libre, disponible sous GNU/Linux, pour analyses de structures. (Ici, Rémi utilise Optistruct qui n’est pas un logiciel libre).

1) Définir les architectures fournir des données à un logiciel de pré-post traitement tel que Hyperworks

a) modèle d’analyse

• le designer fourni un .stp (fichier produit sous Catia par exemple) ;
• caractéristiques matériaux (exemple ABS, nylon) ;
• un cas de charge à évaluer (définir une pression uniforme sur l’ensemble de la coque, comme un appui accidentel, la personne marche dessus, ici 50 kgs sur une surface de 100x100mm) ;
• des conditions limites : à quelle position tu accroches les coques sur la prothèse (définir des points de fixation qui ne vont pas bouger selon 6 degrés de liberté, soit 3 translations et 3 rotations) ;

b) Modèle d’optimisation topologique

• Définir une variable : propriété des coques, soit la densité de chaque élément de la coque exprimée entre 0 et 1 (entre 100 % de densité et 0 densité) ;
• Définir une contrainte : le ratio de masse, c’est à dire que l’on va commencer avec une densité à 100 % pour l’ensemble des éléments, et qu’on va terminer l’optimisation avec seulement (x) % de densité, ici Rémi a choisi 30 % de sorte à ce que la pièce finale pèse 30 % de la masse initiale. (Ici c’est l’expérience qui parle, Rémi voulait des motifs ajourés) ;
• Définir un objectif d’optimisation : ici, maximiser la raideur (ou minimiser la souplesse) de la coque vis-à-vis du cas de charge défini dans l’analyse (citée précédemment) ;

Export en mode texte (.txt ou .dat) puis :

Rémi fournit ce fichier à son logiciel de calcul de structure Optistruct pour définir l’architecture avec lequel est réalisée l’optimisation (il lit, analyse, et sort des résulats en .out qui fournit un rapport d’analyse et d’optimisation). Puis est produit automatiquement un fichier de visualisation H3D, qui permet d’afficher un visuel, après quoi vient une phase d’interprétation en partenariat avec le designer qui refait le dessin dans son application de dessin en 3D en tenant compte des résultats de l’optimisation, et avec le concours du calculateur de structure. C’est le résultat final du designer à ce stade qui peut être fourni pour l’impression 3D ou analysé plus en détail.

Il faut compter environ 1 heure pour l’ensemble de ce travail lorsqu’il est réalisé par des personnes expérimentées chacune dans son domaine.

 

Dans le projet, ces décorations sont généralement destinées à garnir la partie avant de la coque. Celle-ci étant en 2 parties, Christophe souhaite accentuer l’effet d’exhibition, et a proposé que la partie arrière soit ajourée, c’est à dire découpée de sorte à laisser voir l’intérieur. Cette partie pourrait même recevoir des diodes luminescentes, ou tout autre effet.

Lors des phases de recherche, les travaux des différentes personnes (Aurélie, Yeoil, Amandine) ayant contribué au design et au dessin 3D ont travaillé avec Rémi (dont les informations techniques sont rapportées un peu plus haut dans la partie “ 1) Définir les architectures fournir des données à un logiciel de pré-post traitement tel que Hyperworks”).

Voici dans les photos et images suivantes les résultats de cette collaboration.

Dans cette page sont stockées les photos et images fournis par Rémi, et j’y ajoute aussi les fichiers à partir desquels Yeoil, graphiste, a commencé à préparer le dessin en 3D final pour l’impression dans l’imprimante : Print_My_Leg_Travail_Remi

Laque en bombe et maille sur coque

 

 

 

 

 

 

 

 

Ci après, des images relatives à l’optimisation des coques (voir les étapes du calcul d’optimisation précédemment, par Rémi)

Les fichiers techniques pourront être téléchargés sur cette page : Fichiers-Coque-Rémi et Fichiers-Yeoil/

Les images que Yeoil a tirées de son travail présentées ci-après nous montrent les différentes idées de formes de coques en même temps que des finitions possibles (vous pouvez cliquer sur une des images pour faire défiler la galerie, de même que pour les images précédentes)

Le fichier PrintMyLegPROTO.alias2step est un fichier de transfert de données (ici depuis Alias de Autodesk vers STEP) ; Le fichier PrintMyLegPROTO.stp est un fichier de graphisme en 3D pouvant être édité dans un logiciel “CAD” (Computer Aided Design, ou Design Assisté par Ordinateur). Le fichier au format .stp est exporté vers un fichier au format .stl qui peut à son tour être transformé en g-code, lisible par une imprimante 3D. Ces étapes indispensables sont délicates à mettre en place, car il faut tenir compte de la marque et du modèle d’imprimante 3D : elles n’acceptent pas toutes le même g-code. Pour transformer un fichier .stl ou .stp en g-code, il est possible d’utiliser le logiciel libre Cura. Il existe deux versions majeures, 2.3 et 15.04.x (où x représente la dernière version), disponibles pour plusieurs systèmes d’exploitation : cura-software et liste cura-software.

Pour passer d’un fichier .stp à un format .stl, il semble possible d’utiliser Freecad, l’extension étant disponible dans les menus d’export. Pour les imprimantes 3D RepRap, il existe Repsnapper, qui permet de passer d’un .stl à un fichier en g-code… et il existe aussi slic3r (lire “slaïceur”), également prévu pour «trancher» une image de sorte à pouvoir imprimer en 3D.

Yeoil n’a pas pu fournir dans le temps imparti des fichiers finis, prêts à employer pour réaliser l’impression 3D de nouvelles coques, et ces fichiers représentent non pas un modèle supplémentaire mais 2 modèles supplémentaires. Il y a un modèle coque avant/coque arrière, et 1 modèle coque droite/coque gauche (avec une charnière). Nous disposons de sa dernière ébauche, inachevée par manque de temps. Elle nous fournira un fichier fini très bientôt si elle parvient à trouver le temps nécessaire pour cela.

Le design

La création d’une coque double est destinée envelopper une prothèse de jambe, puis à être parée d’atours propres à donner à une personne privée d’un membre inférieur l’élan pour oser se montrer, ne plus se sentir gênée face au regard des autres. Le design en prothèse existe, mais c’est presque toujours du cas par cas, sur mesure, et de ce fait est très coûteux. La recherche de solutions en fabrication numérique associée au design a pour but de libérer le handicap du poids financier et d’ouvrir de nouveaux possibles en facilitant la personnalisation des aides prosthétiques comme on peut le faire pour de simples vêtements.

Le travail autour du design personnalisé dépend fortement d’un prototype de coque fini, et les créations qui viendront ensuite pourront être réalisées au choix en impression 3D ou bien en dépliant le dessin pour en imprimer/dessiner les contours sur un support plat au choix (cuir, tissus, feuille de liège, maillage…) pour être préparé avec une découpe laser, ou aux ciseaux, ou à l’aide d’autres outils (cutter ?) selon le matériau final choisi. Les coques peuvent aussi être décorées avec une sous-couche de peinture en bombe, du tinfoil…

Les créations des photos suivantes…

 

 

…ont été réalisées à titre expérimental et sont des échantillons de test. Si le décor est collé, la coque aura un aspect définitif.

Si l’habillage est interchangeable sur la coque, il a besoin d’un système d’attache facile d’utilisation. (Exemple, lacet, boutons, élastiques plats fixés par dessous en partie haute et basse, système magnétique…)

Le processus de création du design est propre à chacun, et puisque cette partie s’adresse au domaine du design et de l’artisanat d’art, chaque personne «Imprimera Sa Jambe» en fonction de ses goûts et des matériaux et moyens techniques dont elle pourra disposer.

Du design à la découpe laser

Lorsque les motifs ci-dessus ont été créés, il ont été dessinés au crayon sur le papier, et après quelques opérations prenant tout de même un peu de temps, la magie a opéré : une feuille de cuir prédécoupée avec les motifs de petites feuilles en est sortie. L’autre motif a aussi été dessiné, imaginé, avant de finir découpé au laser. Comment procéder ?

Tout d’abord, on part d’un dessin existant ou que l’on crée à la main, puis on le scanne, le fichier ainsi créé est importé dans un logiciel de dessin en 2D – disons, Inkscape, qui a l’avantage d’être sous une licence libre et disponible pour Windows, Mac OSX, et Linux. De là, on le vectorise, («Menu Chemin > Vectoriser le bitmap». Nous vous laisserons chercher les meilleurs réglages, faire vos essais et jouer sur les curseurs), puis nous exportons en SVG pour conserver une copie valide de cette étape, que l’on met de côté.

Ensuite, plaçons une nouvelle copie de ce SVG dans un répertoire temporaire ailleurs pour poursuivre les opérations. Enregistrons cette fois le fichier au format .dxf : Menu Fichier > Enregistrer sous > dxf.

Et le résultat, une fois enregistré avec l’option “Visible seulement”, peut être fourni tel quel à une découpeuse laser… en fonction des marques et modèles.

Sur une découpeuse laser Epsilog, cela fonctionnera. Sur d’autres, c’est le format SVG qui fera l’affaire, et parfois un fichier au format jpg pourrait être valable. Une fois que le fichier a été enregistré au format .dfx, quittez Inkscape, puis ouvrez à nouveau le fichier : si jusqu’ici le dessin était coloré, il ne devrait maintenant rester que deux couleurs correspondant aux contours et traits principaux. Vous voudrez alors vérifier ce que votre découpeuse nécessite comme couleurs et épaisseur de trait, et faire les réglages en conséquence dans le fichier (toujours, en sélectionnant le dessin, préalablement groupé s’il est composé de plusieurs parties).

Voici un exemple. C’est un dessin au format SVG, créé sous Inkscape, et pour cet exemple la partie bambous, qui pourrait être utilisée pour faire des décorations de motifs répétés en découpe laser en a été extraite.

Une fois la seconde version (à droite ci-dessus) enregistrée en DFX, voici à quoi cela ressemble (ci-dessous à gauche), puis il est possible de le transformer en motif répété, toujours dans Inkscape (à droite). Ici, le dessin de gauche a été modifié pour grossir le trait. (Sélectionner les éléments du dessin, puis dans le menu Objet > Remplissage et contour, réglez les options selon le besoin, avant de copier vers un nouveau fichier pour créer la répétition des motifs).

Un petit coup d’œil sur les extensions à explorer, pour les commandes numériques

Pour vérifier si cela fonctionne, il faut être outillé. Le fichier correspondant aux images ci-dessus a été confié à une personne dont le PC est équipé des pilotes pour une découpeuse de marque Epsilog. Et voilà ! Selon les résultats présentés dans ces dernières images cela fonctionnera !

Il existe aussi un programme nommé Visicut, également sous licence libre. Il est fourni avec LibLaserCut, une bibliothèque indépendante pour les découpeuses laser (supporte les découpeuses Epilog ZING, MINI et HELIX et celles dotées des cartes open source LAOS, et d’autres pilotes encore sont prévus pour le futur). Il permet d’utiliser les formats SVG, EPS, DXF et le PLF VisiCut (Portable Laser Format), de prévisualiser à quoi votre graphisme ressemblera une fois appliqué à la matière, ainsi que de préparer vos découpes laser à la maison, avec pour but de vous éviter de mauvaises surprises lors de l’import de votre fichier au Fablab. (Traduit approximativement depuis le site officiel).

Et pour économiser de la matière lors d’une découpe laser, de sorte à profiter de la plus grande surface possible sur votre support de découpe, voici http://svgnest.com et sa documentation.

Après le hackaton

Pour faire évoluer les prototypes de coques, une nouvelle phase a été déjà évoquée au cours de ces 3 jours afin de permettre à des personnes de toutes statures d’obtenir une ou des coques personnalisées : la mise en chantier d’une interface logicielle à choix multiples, en open source, afin de produire des coques sur mesure à partir de modèles déjà créés. Tout Fablab intéressé peut se joindre et contacter les personnes ayant organisé le Fabrikarium pour échanger sur l’un ou l’autre des projets qui ont été menés durant ces 3 jours intenses.

Références de cet article:
myhumankit.org
myhumankit.org/historique
bionico.org
www.lemonde.fr/festival/article/2015/09/15/nicolas-huchet-bionico-man-solidaire_4757752_4415198.html
www.u-exist.com
www.opr35.com
www.facebook.com/PrintMyLeg
labomedia.org/18-21-octobre-2016-booksprint-fabrikarium-toulouse-my-human-kit-flossmanual

Quelques sites de référence pour aller plus loin:
http://www.makershop.fr/content/41-guides-3d
http://www.freecadweb.org/?lang=fr
https://logre.eu/wiki/Découpe_laser

Merci à Gregorio du LOG (lien ci-dessus).

Quelques imprimantes RepRap appréciées des connaisseurs:
http://openedge.cc/product/mondrian-3-0
https://shop.prusa3d.com/en/3d-printers/59-original-prusa-i3-mk2-kit.html

Merci à Arthur du http://tyfab.fr pour cette info.

L’article à ne pas louper:

myhumankit.org/actualite/fabrikarium-2016-au-croisement-des-mondes

Contacts sur les salons de discussion:

Avec un logiciel tel que Hexchat, (disponible pour Linux, Mac OS X et Windows), ou Pidgin, (également multiplateforme), ou weechat, irssi… (en mode texte dans un terminal) rendez-vous sur le serveur Freenode, sur les salons suivants:

#fablabfrance, #fablab-fr, #reprap-fr, #fablab (ce dernier est peu fréquenté). Si vous ne savez pas comment installer et configurer l’une des applications citées ci-dessus, vous pouvez utiliser une page web dans votre navigateur internet pour commencer, par exemple, http://webchat.freenode.net/?channels=fablabfrance ou encore http://webchat.freenode.net/?channels=fablab-fr.

Un article complet en contexte autour de ces 3 jours de hackaton

https://fr.flossmanuals.net/fabrikarium-2016/introduction/

Cet article est placé sous licence CC-BY-SA, les fichiers techniques liés dans l’article appartiennent à leurs auteurs respectifs sous une licence libre qui nous sera communiquée ultérieurement.