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Bonjour, je m’appelle Timon Moser. Avec Alexander Moldaschl et Florian Fafilek du département de conception et construction mécanique de la HTL Hollabrunn (Autriche), nous avons développé un cube gyroscopique auto-équilibré dans le cadre de notre projet de fin d’études.
L’idée : un cube qui ne tombe tout simplement pas
Le projet n’a pas commencé par un problème du quotidien, mais par un défi technique : un cube peut-il être stabilisé à l’aide de roues de réaction internes ? L’idée a fini par évoluer vers un Cubli entièrement fonctionnel : un système compact combinant conception mécanique, électronique et ingénierie de contrôle.
Un Cubli est un cube gyroscopique capable de tenir en équilibre sur une arête ou un coin grâce à des volants d’inertie en rotation. Un capteur détecte la position du cube, un microcontrôleur traite les données et pilote les moteurs. En modifiant la vitesse de rotation des volants d’inertie, des couples de réaction sont générés pour aider à restaurer l’équilibre du cube.
Pour l’équipe, le projet était particulièrement stimulant car il associait plusieurs disciplines : mécanique, électronique, logiciel et ingénierie de contrôle. J’étais particulièrement intéressé par l’idée de travailler sur un projet non seulement théorique, mais pouvant réellement être fabriqué et fonctionner.
D’un montage d’essai 2D à un Cubli 3D
Avant de construire le cube 3D complet, notre équipe a d’abord développé un montage d’essai bidimensionnel. Cela a permis de réduire la complexité à un seul axe d’inclinaison et de rendre le principe de base plus facile à contrôler : un cadre, un moteur, une roue de réaction et un axe de rotation défini.
Cette étape intermédiaire s’est avérée cruciale. Le montage 2D a permis de comprendre le comportement d’une seule roue de réaction, d’observer la répartition des masses et d’identifier très tôt d’éventuels problèmes de conception. Ce n’est qu’ensuite que le principe a été transposé aux trois axes spatiaux.
Le Cubli 3D final se compose de six pièces de cadre rectangulaires formant le cube. À l’intérieur se trouvent trois roues de réaction disposées orthogonalement, des moteurs, des supports de moteur, des composants de transmission de couple et l’électronique, y compris le PCB. Chaque axe doit pouvoir agir indépendamment sans entrer en collision avec les autres roues ou composants..
Conception : quand le centre de gravité détermine la fonctionnalité
Dans un tel projet, la réussite ne dépend pas seulement de l’assemblage correct des pièces. L’emplacement de la masse est tout aussi crucial.
Lors de l’équilibrage, le Cubli se trouve dans une position d’équilibre instable. De légers écarts du centre de gravité peuvent créer des moments de basculement supplémentaires et compliquer le contrôle. C’est pourquoi les composants lourds devaient être placés le plus près possible du centre. Parallèlement, le cube nécessitait suffisamment d’espace pour les moteurs, les roues de réaction, les roulements, les composants de transmission de couple et l’électronique.
J’étais principalement responsable de la partie mécanique du projet. Alexander s’est occupé du logiciel et de la conception du PCB, tandis que Florian a géré l’électronique, les calculs, le câblage et l’assemblage. Cette répartition claire des responsabilités était importante, car la mécanique, l’électronique et l’ingénierie de contrôle interagissent directement.
Les composants mécaniques les plus importants comprenaient :
- Pièces de cadre servant de structure porteuse
- Roues de réaction pour générer le moment cinétique
- Supports de moteur
- Composants de transmission de couple
- Roulements et éléments de liaison
- Éléments d’angle imprimés en 3D
- PCB et composants électroniques
Le plus grand défi a consisté à coordonner l’ensemble des composants mécaniques de manière à ce que l’assemblage fonctionne par la suite et s’ajuste avec précision.
Des pièces de cadre découpées au laser pour une base solide
Pour les pièces de cadre, nous avons opté pour la découpe au laser. Ces composants forment la structure de base du cube et devaient être légers, solides et fabriqués avec précision. L’aluminium s’est imposé comme une évidence, offrant un bon compromis entre légèreté et stabilité suffisante.
Les pièces de cadre découpées au laser ont été fabriquées avec le soutien de Xometry. Pour notre équipe, la fabrication en elle-même n’était pas le seul point important, la rapidité et la simplicité du processus l’étaient tout autant. Lors d’un projet de fin d’études, le temps est compté. Les devis, les décisions et les étapes de fabrication doivent donc s’enchaîner rapidement.
Pour nous, ce fut une aide pratique et la preuve que les entreprises prennent au sérieux les projets techniques étudiants. Dans un projet au budget limité et au calendrier serré, un partenaire de fabrication fiable peut faire toute la différence. Au-delà d’une finition irréprochable, les pièces de cadre devaient garantir un assemblage mécanique précis.
Défis : de petits détails de fabrication aux conséquences majeures
Comme dans beaucoup de projets techniques, le cube gyroscopique a prouvé que les leçons les plus importantes n’apparaissent pas souvent sur le modèle CAO, mais lors de l’assemblage réel. Le taraudage des composants en acier inoxydable a représenté un défi particulier. Les tarauds se sont cassés et sont restés coincés dans le support de moteur et les pièces de transmission de couple. Par conséquent, certains filetages n’ont pas pu être terminés dans un premier temps. Ce problème, en plus d’être frustrant, a bloqué la suite de l’assemblage mécanique. Nous avons cherché des solutions externes et compris l’importance réelle du design pour la fabrication (DfM). Certains perçages auraient pu être ajustés plus tôt, certaines profondeurs de filetage se sont avérées inadaptées à un usinage manuel, et de petits détails ont eu un impact plus important que prévu. C’est devenu l’une des leçons les plus importantes du projet : de petites décisions de conception peuvent avoir des conséquences majeures sur la fabrication, l’assemblage et la fonctionnalité.
La suite du projet
Au final, le résultat n’est pas seulement un démonstrateur technique, mais un projet qui lie étroitement théorie et pratique. L’équipe a construit un montage d’essai 2D fonctionnel, achevé l’assemblage mécanique et électrique final du Cubli 3D, et acquis une précieuse expérience en conception, fabrication, électronique et travail de projet.
Pour moi, il a été particulièrement motivant de voir une idée se transformer progressivement en un système physique. Ce qui me passionne le plus, c’est qu’au final, on se retrouve avec un vrai système fonctionnel, et non un simple concept théorique.
Les prochaines étapes concernent l’implémentation complète et les tests du système de stabilisation. Un développement futur envisageable serait de permettre au Cubli de se redresser de manière autonome.
La conclusion la plus importante, cependant, est déjà claire : les projets techniques fonctionnent rarement sans détours. Et c’est précisément ce qui fait leur valeur. La planification, la précision et une conception soignée sont importantes, tout comme la capacité à réagir avec flexibilité aux problèmes pour aller de l’avant.
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