Fabrication d'un filtre electrostatique pour imprimante 3d

[ChrisPe]

Bonjour,

Je cherche à fabriquer un filtre eletrostatique pour réduire, voire éliminer les particules émises par une imprimante 3d, particulièrement lors d'utilisation d'ABS. Mes notions d'électrostatiques remontent à très loin, je ne me vexerais pas du tout si vous me parlez avec des mots simples, j'ai l'impression de repartir de zéro dans ce domaine

Donc l'objectif est de faire un dispositif DIY intégrable dans un petit volume, la relative efficacité peut se compenser par un fonctionnement en circuit fermé. Le principe est simple, il s'agit de charger d’électron les particules en entrée de filtre et de les capturer par une / des plaques chargées positivement. Concernant la source haute tension, j'ai commandé en Chine des générateurs soit-disant 20 kV, la fiabilité est probablement aléatoire mais ça m'ira pour du prototypage.

J'ai 2 idées de design en tête. Le plus simple pour démarrer est un tube alimenté par un petit ventilateur, avec une plaque cylindrique négative faite d'une canette de soda, un espace vide et un autre cylindre (canette de soda encore). La seconde idée sera de faire un tube contenant la canette chargée négativement, et le retour par un cylindre concentrique avec la plaque cylindrique chargé positivement, j'aurais ainsi un champ électrostatique important pour renforcer la capture d'ion.

Voici donc mes questions:

• Comment calculer la distance de sécurité entre les plaques pour éviter la formation d'arc électrique ? Sachan,t qu'il s'agit d'air ambiant.
• Quel critères permettent de réduire la formation d'ozone ? l'idée n'étant pas de remplacer un toxique par un autre
• Quel matériaux utiliser pour le/les cylindres ? Je pensais à du bête PVC de plomberie, facile à trouver et bon marché, mais je m’interroge sur l'efficacité de l'isolation, le PVC étant d'expérience facile à charger en électricité statique.
• Comment s'assurer de façon sûre de la décharge des plaques à la fin de l'utilisation ?
• Comment raccorder de façon sûre des fils chargés à haute tension ?

Voilà voilà, c'est un projet qui me plait bien mais je fais face à mes lacunes, si vous avez des éléments de réponse, j'en serais ravi
-----

[gwgidaz]

Bonjour,

" il s'agit de charger d’électron les particules en entrée de filtre "
Comment fais- tu? je pense que tu veux créer dans l'air de ions négatifs qui seront capturés par les particules ? Mais pour ça, il faut bien arracher des électrons à un métal, soit par un champ E très intense , soit, avec un champ plus faible, par une source métallique chauffée, soit par une pastille radioactive....

[ChrisPe]

Bonjour,

quand je regarde les quelques expérimentations que j'ai trouvé, le principe semble toujours le même, s'appuyer sur une grille fortement chargée en électron semble suffire, avec une alim de quelques dizaine de kV.

Par exemple ce précipitateur que je veux décliner en premier modèle de design: http://rimstar.org/science_electronics_projects/electrostatic_precipitator_smo ke_precipitator_simple.htm

Concernant mon générateur haute tension, je suis parti sur ça: http://www.ebay.fr/itm/171961910986?...%3AMEBIDX%3AIT

J'imagine qu'exploiter l'effet de pointe pourrait renforcer l'effet, mais j'ai peur que ça ne renforce la production dO3 en même temps, ce que je veux éviter. C'est pour cela que j'envisageais plutôt un cylindre de charge, quitte à ajouter un obstacle central imprimé en 3D pour pousser l'air contre ce cylindre.

Ma 2eme idée de design doit pourvoir ajouter un fort champ E, mais je manque justement de recul sur les précautions à prendre pour éviter la formation d'arc.

Chauffer le métal ne me semble pas très simple et est impactant pour la température de l'enceinte fermée.
La pastille radioactive me semble hors de question pour des questions de sécurité.

[gwgidaz]

Bonjour,

Tes liens sont intéressants.
j'avais réalisé un générateur d'ions avec un bouquet de fils très fins , donc en utilisant l'effet de pointes. je ne pensais pas qu'une grille était suffisante, mais je découvre...
Je pense que plus les fils de la grille seront fins, mieux ce sera ....Tiens nous au courant.

[A voir en vidéo sur Futura]

[LPFR]

Bonjour.
Dans les photocopieuses et imprimantes laser actuelles, la génération d’ions se fait par un dispositif utilisant l’effet corona.
C’est un simple fil métallique tendu enfermé dans un profilé ouvert d’un seul côté et mis à une tension de quelques milliers de volts.
Au revoir.

[gwgidaz]

Bonjour,

J'imagine que la distance au cylindre qui entoure le fil ne doit pas être trop importante.
Il y a plus de vingt ans, j'avais tenté d'ioniser l'air à l'aide d'un fil tendu, mais en "espace libre" , et j'avais peu d'ionisation.
Par contre, dés qu'il y avait un bouquet e fils très fins, donc avec de nombreuses pointes, ça marchait "du feu de Dieu" .... puisque j'avais réussi à créer une telle charge d'espace dans la pièce, qu'au bout de demi-heure, le courant d'ionisation était réduit considérablement. Bien sur, dès qu'une personne entrait dans cette pièce, elle se chargeait . En observant le courant d'ionisation, on pouvait savoir si quelqu'un s'introduisait dans la pièce.
Le but de l'expérience était de savoir si en dormant dans une pièce comportant une densité énorme d'ions négatifs, on en percevait des effets biologiques. J'avais l'impression de dormir beaucoup mieux, mais c'était peut-être un effet placebo....Pour moi, il y a encore doute aujourd'hui.

[ChrisPe]

Bonjour,

Merci pour tous ces retours.

Concernant l'effet corona je suis justement assez, heu, prudent. Je me base pour cela sur une très intéressante étude disponible ici: http://www.isesp.org/ICESP%20X%20PAP...aper%203C1.pdf et qui semble dire, si j'interprête bien les résultats, que la génération d'O3 semble corrélée aux décharges corona justement.
De plus, je ne suis pas sûr que les phénomènes soient strictement identiques, l'objectif d'un fil de charge d'une imprimate laser est de transférer une charge au cylindre, alors que je veux juste charger les particules, même si les principes sont similaires.

J'ai un peu de mal à être sûr de mon interprétation des résultats, concernant l'importance et la signification du courant de décharge (et des phénomènes physique sous jacents), mais la plus failbe génération d'Ozone consiste à charger positivement le circuit de charge, et à privilégier un format de type plaque en opposition à un fil.

Bon en dehors de l'aspect de réduction de la production d'ozone quinécessite un approfondissement, avez-vous un avis sur les autres questions ?

• Comment calculer la distance de sécurité entre les plaques pour éviter la formation d'arc électrique ? Sachan,t qu'il s'agit d'air ambiant.
• Quel critères permettent de réduire la formation d'ozone ? l'idée n'étant pas de remplacer un toxique par un autre
• Quel matériaux utiliser pour le/les cylindres ? Je pensais à du bête PVC de plomberie, facile à trouver et bon marché, mais je m’interroge sur l'efficacité de l'isolation, le PVC étant d'expérience facile à charger en électricité statique.
• Comment s'assurer de façon sûre de la décharge des plaques à la fin de l'utilisation ?
• Comment raccorder de façon sûre des fils chargés à haute tension ?

De plus comment feriez-vous pour mesurer en toute sécurité la tension aux bornes d'un générateur haute tension censé délivrer de 15000 V à 20 000 V ?

[ChrisPe]

Bonjour,

Oui la taille du dispositif final devrait rester assez compact dans le cadre idéal. Il s'agit de le placer dans une enceinte type table Ikea Lack, soit un cube approximatif de 50 cm d'arrête.

Sachant que l'imprimante occupe déja pas mal de place (Type Prusa i3), un cylindre de 30 cm de long et de 10 cm de diamètre semble être le maximum raisonnable.

[gwgidaz]

Bonjour,

Mon expérience, ( qui vaut ce qu'elle vaut) , c'est que la production d'ozone est fonction du courant qui "quitte" le fil.
Mais que la production d'ions, est fonction du courant qui ne revient pas sur la plaque ou le cylindre, mais du courant "emporté" par l'air, donc qui se reboucle bien plus loin.... Donc intuitivement, le flux d'air a son importance.
je pense aussi que plus la génération d'ions est étalée , moins il y a d'ozone

Entre deux sphères distantes de 1cm , je pense que l'arc électrique se produit pour 30 KV... Donc sur plusieurs cm et 20KV; pas de pb....

[LPFR]

Re.
Je ne peux pas donner des affirmations sures. Ce n’est pas mon domaine.
Mais l’ozone n’est pas si toxique que ça. C’est un irritant et non un poison. Il n’est pas plus irritant que le chlore (que les autobus à catalyseur recrachent dans Paris).
J’ai travaillé pendant des heures près d’une lampe UV qui fabriquait de l’ozone et je n’ai rien senti, à par l’odeur de l’ozone.
Et dans mon enfance on vendait des appareils domestiques de production d’ozone à l’intention de asthmatiques.

Les premières photocopieuses Xerox sentaient vraiment l’ozone. Puis on a ajouté des filtres.

Je n’utiliserais pas des tensions si élevées. Quelques milliers de volts (1-3 kV) garantissent de ne pas avoir un arc avec une séparation supérieure à 1 cm.

Et pour ioniser l’air, ce qui compte est le champ électrique. Et pour cela c’est le diamètre du fil qui compte. Il suffit qu’il suffisamment fin pour que le champ soit de 1-2 kV/mm. La géométrie avec un fit ou avec des pointes, garantit que le champ n’est fort que près des fils et des pointes.

Question : est que les imprimantes 3D fabriquent des gouttelettes de plastique si petites qu’elles peuvent s’envoler ? J’imagine que la dimension des gouttelettes est de l’ordre de grandeur de la résolution de l’imprimante.

Pour les fils HT il faut utiliser des fils adéquats. Par exemple, des fils du circuit d’allumage des voitures. Pour des tensions plus faibles (quelques kV), l’âme et l’isolant des conducteurs coaxiaux de bonne qualité devraient suffire. Et tant qu’à faire vous pouvez garder le blindage et le raccorder à la terre.
A+

[gwgidaz]

Bonjour,

Comme LPFR, j'ai des doutes sur le niveau de toxicité de l'ozone. Il y a des gens qui travaillent en permanence près d'une photocopieuse et qui se portent semble-t-il très bien.
Personnellement, c'est une odeur que j'aime bien. Peut-être que je vais faire dresser les cheveux sur la tête de certains ! en tout cas, j'aimerais avoir des données sur les concentrations néfastes de l'ozone, si quelqu'un en possède.

LPFR, oui, on faisait autrefois des appareils pour asthmatiques qui généraient de l'ozone, mais peut-être qu'en fait ils étaient conçus pour générer des ions négatifs, et que l'ozone était un sous produit ?

[ChrisPe]

La toxicité de l'Ozone est dificillement létale, mais son accumulation peut quand même poser des problèmes.

Là il s'agit d'un dispositif qui doit tourner durant tout le temps d'une impression, et ça peut atteindre les dizaines d'heures, ce qui est bien loin de l'activité d'une imprimante. De plus, l'imprimante étant située dans ma "geek cave" mal aérée, et une impression ABS demandant de garder la chaleur dans l'encinte pour refroidir lentement, je dois me contenter d'un filtre qui tourne en circuit fermé.

Donc la recherche de diminution de production d'ozone est vraiment justifiée.

Concernant les particules, c'est un réel problème, l'impression d'ABS génère un spectre de particule dont les tailles varient de qq microns à des dizièmes de microns, et ce sont bien ces particules ultrafines qui posent problèmes (je ne parle pas des composés volatiles en plus tels que le Styrène, je me concentre là sur les particules). Les autres matériaux en génère jusqu'à 10 fois moins, mais ça reste un problème.

D'autres méthodes de filtres existent, comme les filtres HEPA ou le charbon actif.
Mais les filtres HEPA ne sont pas très efficaces en dessous de 0.3 micron, donc laissent passer les particules les plus problématiques, et étant un ancien aquariophile je me méfie du charbon actif, c'est bien quand il est neuf, mais il fini par atteindre une saturation et ne sert plus à rien, sans que cela se voit.

Concernant la tension de mes générateurs, c'est juste les seuls que j'ai trouvé à un prix raisonnable et qui ne produisent pas de la tension pulsée. S'il faut que j'adapte mon dispositif en fonction des contraintes de ce haut voltage ça ne me dérange pas plus que ça. Mais pour les notions de champs électrique, il faut que je réfléchisse à ça à tête reposée, c'est n'est effectivement pas mon domaine du tout (enfin plus depuis 20 ans )

Et surtout, c'est une belle opportunité d'apprendre et d'explorer des voies encore vierges

[LPFR]

...
LPFR, oui, on faisait autrefois des appareils pour asthmatiques qui généraient de l'ozone, mais peut-être qu'en fait ils étaient conçus pour générer des ions négatifs, et que l'ozone était un sous produit ?

Re.
Celui que j’ai désossé contenait uniquement deux petites ampoules au mercure alimentées à travers un ballast.
On fabriquait aussi des stérilisateurs aux UV pour certains commerces, comme les coiffeurs. Je n’ai pas vu en fonctionnement, mais je parie un café qu’ils produisaient de l’ozone.
A+

[RomVi]

Pourquoi ne pas utiliser de ventilateur avec un rejet à l'extérieur ?

[ChrisPe]

Pourquoi ne pas utiliser de ventilateur avec un rejet à l'extérieur ?

Plusieurs raisons:

• Pour ne pas baisser la température de l'air dans l'enceinte lors d'impression ABS
• Parce que la pièce dans laquelle est placée l'imprimante ne me le permet pas une sortie extérieure.
• Parce que la complexité de la démarche n'est pas un raison suffisante pour me faire reculer.
  
  Et concernant la première version de la question, parce qu'un filtre n'est pas efficace sur des particules ultra fines.

[ChrisPe]

Bon je me réponds à moi-même pour la première question, j'ai trouvé dans un lointain message que dans l'air sec à pression atmosphérique le claquage c'est environ 1mm/kV ,cela diminue fortement avec le degré hygrométrique. Donc la distance strictement minimale est de 2 cm si l'alim délivre bien du 20 kV.

Donc en maintenant une dizaine de centimêtre entre les cylindres, je devrais me mettre à l'abris d'arc entre ces deux éléments.

De plus ça me permet de placer un axe chargé au milieu des cylindres pour former un champ E important. En entourant ces axes par une enveloppe d'ABS qui va en plus guider le flux laminaire près des cylindre, ça devrait être à la fois "sécurisé" et efficace.

J'envisage l'utilisation d'un tube de cuivre, de type plomberie pour cet axe. Cela devrait permettre un champs radial à la fois uniforme et important, et doit permettre de souder les fils d'alimentation sans trop de problème.

Concernant l'enveloppe en PVC, sachant que c'est un matériau plutôt statique, cela signifie-t'il que bien qu'isolant dans la masse, la surface peut se charger et générer des courants de surface ? Un traitement de surface peut-il traiter ce risque (pour l'instant purement hypothètique)?

[gwgidaz]

Bonjour,

La paroi du PVC peut se charger en surface, justement parce qu'il n'y a pas de "courant de surface"....
Je suppose que tu prévois un nettoyage du tube axial, qui va se salir rapidement ...
Peut-être aussi la grille négative , par des grosses poussières.

[ChrisPe]

Oui les cylindres aluminium seront montés sur un support tenant aussi les tubes de cuivre et devront pouvoir être insérés et retirés simplement du tube PVC tenant le tout, avec un support aussi pour le ventilateur d'entrée et un guide d'air pour la sortie. L'ensemble sera donc démontable pour être lavé à l'eau, comme certains ESP industriels.

Je commence doucement à modéliser tout ça pour en faire des pièces imprimables

[ChrisPe]

Le point restant encore flou est le raccord entre les fils.

Ces raccords seront à l'extérieur du tube PVC, reliant un axe cuivre d'entrée, le cylindre alu de sortie et un des pôles du générateur HT. Placé de l'autre coté du tube PVS , le raccord reliant l'axe cuivre de sortie, le cylindre alu d'entré et l'autre pôle du générateur HT.

Ces raccords doivent être démontables pour permetre le nettoyage de l'entrée, je sèche encore sur ce point.

[gwgidaz]

Bonjour,

Les contacts n'ont pas besoin d'être extraordinaire, vu qu'on est en THT : languettes ressort, voire mousse conductrice....

[C2H5OH]

Re.
Je ne peux pas donner des affirmations sures. Ce n’est pas mon domaine.
Mais l’ozone n’est pas si toxique que ça. C’est un irritant et non un poison. Il n’est pas plus irritant que le chlore (que les autobus à catalyseur recrachent dans Paris).
J’ai travaillé pendant des heures près d’une lampe UV qui fabriquait de l’ozone et je n’ai rien senti, à par l’odeur de l’ozone.
Et dans mon enfance on vendait des appareils domestiques de production d’ozone à l’intention de asthmatiques.

Les premières photocopieuses Xerox sentaient vraiment l’ozone. Puis on a ajouté des filtres.

Je n’utiliserais pas des tensions si élevées. Quelques milliers de volts (1-3 kV) garantissent de ne pas avoir un arc avec une séparation supérieure à 1 cm.

Et pour ioniser l’air, ce qui compte est le champ électrique. Et pour cela c’est le diamètre du fil qui compte. Il suffit qu’il suffisamment fin pour que le champ soit de 1-2 kV/mm. La géométrie avec un fit ou avec des pointes, garantit que le champ n’est fort que près des fils et des pointes.

Question : est que les imprimantes 3D fabriquent des gouttelettes de plastique si petites qu’elles peuvent s’envoler ? J’imagine que la dimension des gouttelettes est de l’ordre de grandeur de la résolution de l’imprimante.

Pour les fils HT il faut utiliser des fils adéquats. Par exemple, des fils du circuit d’allumage des voitures. Pour des tensions plus faibles (quelques kV), l’âme et l’isolant des conducteurs coaxiaux de bonne qualité devraient suffire. Et tant qu’à faire vous pouvez garder le blindage et le raccorder à la terre.
A+

Bonjour,

Une question que je me pose depuis longtemps: Pour favoriser la production d'électrons et d'ions par rapport à l'ozone, ne serait-il pas intéressant de chauffer le fil? Comme dans les tubes électroniques , où la cathode emet des électrons plus facilement si elle est chaude... Ou bien de choisir le métal comme l"aluminium, et l'éclairer par des UV, comme dans les cellules photoélectriques... J'imagine que cela ne doit pas marcher pour des raisons théoriques que j'ignore.

[LPFR]

Bonjour,

Une question que je me pose depuis longtemps: Pour favoriser la production d'électrons et d'ions par rapport à l'ozone, ne serait-il pas intéressant de chauffer le fil? Comme dans les tubes électroniques , où la cathode emet des électrons plus facilement si elle est chaude... Ou bien de choisir le métal comme l"aluminium, et l'éclairer par des UV, comme dans les cellules photoélectriques... J'imagine que cela ne doit pas marcher pour des raisons théoriques que j'ignore.

Bonjour.
Je ne pense pas qu’on arrive à avoir une émission suffisante avec un métal à « basse » température. L’émission dépend surtout d’une autre propriété des métaux qui est le « travail de sortie » ou « work function » qui correspond au travail qu’il faut fournir pour extraire un électron du métal. Je ne sais pas s’il y a un lien chimique, mais les métaux avec un faible travail de sortie s’oxydent très facilement. Et l’inverse : les métaux résistants à l’oxydation on un grand travail de sortie (il faut les chauffer à blanc pour qu’ils émettent). Les surface métalliques des cathodes des tubes à vide, étaient traités pour avoir u faible travail de sortie. Mias ils étaient sous vide.
Chauffer très fort un métal dans l’air sans qu’il s’oxyde c’est faisable. Par exemple avec l’iridium (trois fois plus cher que le platine).

D’autre part la production d’ozone elle même, semble être due à l’ionisation de molécules. Donc, je ne pense pas qu’il y ait un moyen pour avoir l’un sans l’autre.
Au revoir.

[C2H5OH]

Bonjour,

Donc extraire un électron du métal serait différent d'extraire un électron de l'atome....

Je vous remercie de votre réponse.

[LPFR]

Re.
OUI !!!
Pour extraire un électron d’un atome il faut quelques 14 eV (pour l’ioniser). Et un peu moins pour une molécule (12 eV). Voir ici :
http://arena.obspm.fr/~luthier/motte...onisation.html

Par contre, pour extraire un électron d’un métal il suffit de donner l’énergie entre le niveau de Fermi et l’extérieur. De l’ordre de 1 eV. On peut le faire avec un photon visible 1,5 – 2 eV.
A+

[C2H5OH]

Bonjour,

Ok, je confondais deux phénomènes différents....

merci pour vos précisions !

[ChrisPe]

Bonjour,

concernant le rapport entre ionisation et émission d'ozone justement le lien n'est pas si linéaire que cela, comme le montrait l'étude que j'avais citée au début (http://www.isesp.org/ICESP%20X%20PAP...aper%203C1.pdf ). De plus la charge des particules semble être aussi efficace en ayant une plaque de charge chargé positivement (donc capture d'électron au lieu d'émission ?)

Sinon de mon côté la phase expérimentale avance doucement, mon prototype est bientôt prêt pour l'impression et l'assemblage:


J'attends encore la livraison d'un capteur de particule laser (PMS5003) pour pouvoir qualifier l'efficacité de mon ... objet

[ChrisPe]

Bonjour,

je voudrais limiter l'interaction du champ electrostatique avec l'électronique de l'imprimante, même s'il n'y a pas à priori de fréquence. Est-ce qu'une moustiquaire métal de ce type permettrait de faire une cage de Faraday convenable ?

https://www.leroymerlin.fr/v3/p/prod...cm-e1401376750

[LPFR]

Bonjour.
On ne peut rien dire sur ce produit en particulier. On ne sait rien et on ne voit rien.
Mais la toile métallique en cuivre nu et un bon blindage électrostatique. À condition que le métal soit connecté à la masse.
Au revoir.

[ChrisPe]

Bonjour,

Merci encore pour toutes ces réponses.

je reconnais que la qualification du produit n'est pas très claire, ça ressemble à une toile maillée acier. Si c'est bien le cas, est-ce potentiellement possible d'en faire une cage de Faraday fonctionnelle ?

Par contre je ne comprends pas bien la nécessité du métal a être nu. Quel phénomène physique rend cette caractéristique nécessaire à une cage de Faraday ?

[LPFR]

Re.
Pour un blindage électrostatique, l’acier est aussi bon que le cuivre.
Mais si j’ai insisté sur le « nu » est qu’il faut qu’il y ait contact électrique entre les fils de la toile. Il faut que ce soit un conducteur et non un tas de conducteurs isolés les unes des autres.
A+