Capteur COV / Projet EMP / GINI GALIBERT¶
Analyse de la demande¶
L'objectif final du projet est de pouvoir réaliser des mesures de la concentration en COV présents dans la pièce de découpe laser au FabLab de l'IUT.
Cette demande résulte du fait que les utilisateurs de la machine "Trotec Speedy 300" ont remarqué percevoir des odeurs lors de la découpe des différents matériaux. Celles-ci persistent sur une durée de plusieurs jours. Il est donc possible de se demander si les odeurs dégagées par la découpe laser témoignent du dégagement de COV.
La Trotec Speedy 300 possède un laser au CO2 de classe 4 pour le laser de découpe et de classe 2 pour le laser de position et fonctionne à 60W.
En ce qui concerne le fonctionnement de la machine, celle-ci est en libre service et peut être réservée par n'importe quel adhérent du FabLab, qui peut l'utiliser pour la découpe de ses propres matériaux. L'utilisation de la machine se fait avec l'assistance du personnel et des consignes de sécurité sont données pour renseigner les utilisateurs sur la procédure à suivre en cas de départ de feu ou d'accident quelconque avec la machine. L'utilisation d'EPI n'est pas préconisée puisque l'accès au laser est impossible lors du fonctionnement de la machine et car elle dispose d'un mécanisme de sécurité la désactivant lors l'ouverture du panneau d'accès.
La machine est équipée d'une turbine aspirant les fumées dégagées par la découpe et les rejetant à l'extérieur du bâtiment. Cela permet de préserver le bon fonctionnement du laser et d'éviter la propagation de fumées à travers la pièce. En effet, la présence de fumées perturbent le fonctionnement des optiques et des miroirs et peuvent dégrader les composants.
Des filtres existent également pour cette machine mais ne sont pas définis comme obligatoire par le fournisseur et représentent un budget très élevé (changement régulier, entretien,...).
Les matériaux découpés dans cette machine sont :
- le bois
- le carton alvéolaire
- le carton ondulé
- le plexiglass, ou PMAA, ou feuille d'acrylique
Personnes ressources :
- utilisateurs réguliers de la machine découpe laser
- Jean-Baptiste Bonnemaison, responsable du FabLab et Tuteur
Enjeux :
- Economique / Financier : Capteur pas trop cher
- Pratique : Récupération de données rapide / Capteur facile d'accès / Capteur de petite taille
- Santé des utilisateurs : Améliorer les conditions d'utilisation
Problématiques¶
Comparaison entre un capteur COV professionnel et un "DIY" ? Etalonnage du "DIY" avec le pro ?
Normes en vigueur par rapport à la découpe laser ?
Normes en vigueur par rapport à l'exposition professionnelle aux COV ?
Mesure de la pièce à l'explosimètre ?
Y a t-il des différence au niveau des rejets de COV entre les différents matériaux ? (les utilisateurs ont remarqué plusieurs odeurs)
Quelle est la différence entre les filtres "DIY" et les filtres professionnels ?
Comment fabriquer un capteur de COV ? Quel est le matériel nécessaire (Arduino, ESP 32, capteur, shield, écran d'affichage) ?
Préconisation éventuelles après l'obtention de résultats ?
Dangers liés à une potentielle explosion ? Installation électrique conforme ?
Quelle est l'impact de la résine utilisée dans la conception des matériaux lorsque celle-ci est brûlée lors de la découpe ?
Définitions des termes¶
Pour les définitions des termes nous nous sommes aidés du code de l'environnement, AIDA,
- Substance : "tout élément chimique et ses composés, tels qu'ils se présentent à l'état naturel ou tels qu'ils sont produits par l'industrie, que ce soit sous forme solide, liquide ou gazeuse"
- COV : Composé Organique Volatil
Selon l'Article R224-48, le COV est : "tout composé organique dont le point d'ébullition initial, mesuré à la pression standard de 101,3 kPa, est inférieur ou égal à 250 °C"
Les COV proviennent des hydrocarbures et de leurs dérivés chimiques. Ils sont présents dans les colles, vernis, traitements de surface, caoutchouc... des éléments présents dans les matériaux découpés par laser au FabLab.
(Voir bibliographie 9)
Les composés organiques volatils (COV) constituent une famille de produits très large qui se trouve à l’état de gaz ou s’évapore facilement dans les conditions normales de température et de pression (293,15 K et 1 013 hPa), comme le benzène, l’acétone, le perchloroéthylène...
(Voir bibliographie 10)
Recherches¶
Lors d'une découpe au laser à CO2 est fait sur une matière organique, des fumées sont alors présentes. Dans ces fumées les trois principales substances présentent sont le Benzène, le Toluène et le Formaldéhyde. Ces dernières sont très toxiques, l'inhalation de ces fumées est alors très dangereuse pour l'Homme, . (voir tableau 1)
Benzene : c'est un hydrocarbure aromatique polycyclique (HAP). Il est classé cancérogène avéré (groupe 1) par le CIRC pour les leucémies. voir bibliographie 7
Formaldéhyde : fait partie de la sous-famille des aldéhydes. Il est classé cancérogène avéré (Groupe 1) par le CIRC pour le cancer du nasopharynx et la leucémie myéloïde. voir bibliographie 6 et 7
Toluène : il est inclassable quant à sa cancérogénicité (Groupe 3 du CIRC). voir bibliographie 7
Poussières de bois: elles sont une substance Cancérigène Mutagène Reprotoxique, classées cancérogènes (Groupe 1) par le CIRC, et peuvent induire des pathologies respiratoires et cutanées. Voir bibliographie 19Une concentration en poussières de bois trop importante pourrait créer une atmosphère explosive ATEX. Pour identifier les atmosphères explosives potentielle, on se réfère au document de l'INRS ED 945, stipulant qu'il est nécessaire de réunir 6 conditions pour générer une atmosphère ATEX :
- présence d'un combustible
- présence d'un comburant (O2 à 21%)
- présence d'une source d'inflammation
- état du combustible particulier (poussières de bois en suspension)
- atteinte du domaine d'explosivité (domaine de concentration du combustible dans l'air à l'intérieur duquel les explosions sont possibles)
- confinement suffisant (pas indispensable mais aggravant)
Les poussières de bois ont donc une Limite Inférieure d'Explosivité (LIE) comprise entre 30 à 40 g/m3. AU delà de cette limite, on peut considérer que l'atmosphère d'un local entre en catégorie ATEX, dans laquelle il faut supprimer toutes les sources d'inflammation et adopter une signalétique adaptée.
Tableau 1 : valeurs des VLCT et VLEP des substances qui peuvent être présentes dans la fumée produites par la machine découpe laser à CO2¶
| Substances | VLEP 8h (ppm) | VLEP 8h (mg/m3) | VLCT (ppm) | VLCT (mg/m3) | Date d'applications | Source |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Benzène | 0,5 | 1,65 | - | - | Du 5 Avril 2024 au 5 Avril 2026 | 3.a |
| 0,2 | 0,66 | - | - | A partir du 5 Avril 2026 | 3.a | |
| Toluène | 20 | 76,8 | 100 | 76,8 | Depuis 2012 | 3.b |
| Formaldéhyde | 0,3 | 0,37 | 0,3 | 0,37 | Depuis 2021 | 3.c |
Tableau 2 : matériaux compatibles avec la découpe, la gravure et le marquage au laser type CO2¶
Voir bibliographie 12
| / | Découpe | Gravure | Marquage |
|---|---|---|---|
| Aluminium | X | ||
| Metal | X | ||
| Acrylonitrile butadiène styrène (ABS) | X | X | |
| Acrylic/PMMA, i.e. Plexiglas® | X | X | |
| Caoutchouc | X | X | |
| Polyamide (PA) | X | X | |
| Polybutylène terephthalate (PBT) | X | X | |
| Polycarbonate (PC) | X | X | |
| Polyéthylène (PE) | X | X | |
| Polyester (PES) | X | X | |
| Polyethylène terephthalate (PET) | X | X | |
| Polyimide (PI) | X | X | |
| Polyoxymethylène (POM) -i.e. Delrin® | X | X | |
| Polypropylène (PP) | X | X | |
| Polyphenylène sulfide (PPS) | X | X | |
| Polystyrène (PS) | X | X | |
| Polyuréthane (PUR) | X | X | |
| Mousse (sans PVC) | X | X | |
| Bois | X | X | |
| Pierre | X | ||
| Papier (blanc) | X | X | X |
| Papier (couleur) | X | X | X |
| Aliments | X | X | X |
| Verre | X | ||
| Céramique | X | ||
| Carton | X | X | X |
| Liège | X | X | X |
Tableau 3 : Les différents bois utilisés pour la découpe et leur composition¶
| Type | Composition |
|---|---|
| TroCraft Eco | Fabriqué à partir de fibres de bois naturelles. Il est produit sans l'utilisation d'additifs, son processus de fabrication ne comprend aucun ajout de produits chimiques, de solvants et de liants. Voir bibliographie 13 |
| Aggloméré | Fabriqué à partir de copeaux de bois ou de particules, liés par une résine ou un adhésif, souvent sous pression et chaleur. Peut contenir des additifs chimiques. |
| MDF (Medium Density Fiberboard) (principalement utilisé au FabLab) | Composé de fibres de bois de taille uniforme, collées entre elles lors de "l'encollage", auxquelles sont ajoutés des agents chimiques et compressées sous haute pression. Il est souvent utilisé pour les meubles et les panneaux. Voir bibliographie 14 |
| Contreplaqué | Constitué d'un empilage de plis de bois assuré par "un liant organique", orientées perpendiculairement pour une meilleure résistance et stabilité. Peut varier en qualité selon le type de bois utilisé. |
| Bois brut | |
| Liège aggloméré | Le liège provenant de l'écorçage est broyé en petits morceaux et compressé avec de la résine. Il en résulte alors du liège sous forme de planches. Voir bibliographie 16 |
Les filtres à particules¶
Il existe une série de plusieurs modèles de filtres proposés par l'entreprise Trotec. Ceux-ci promettent une "élimination efficace des poussières, des gaz, et des odeurs" grâce à un filtre au charbon actif. Le taux de saturation du filtre peut être surveillé grâce au logiciel RUBY, ainsi que le temps de fonctionnement du charbon actif et les performances. L'extraction des poussières par les filtres au charbon actif pourrait permettre de "prolonger la durée de vie de la machine, et d'assurer un dépoussiérage sûr exempt de substances nocives".
L'entretient se fait par les utilisateurs grâce à la facilité d'accès et de nettoyage simple. Les filtres peuvent être remplacés efficacement et rapidement.
Les appareils de filtration sont les suivants :
| / | Atmos nano | Atmos cube | Atmos Pure 300 | Atmos Pure 600 | Atmos PowerJet |
|---|---|---|---|---|---|
| Taux de débit volumétrique | 200 m3/h | 200 m3/h | 300 m3/h | 600 m3/h | 2500 m3/h |
| Zone de filtre | 3,6 m² | 6,8 m² | 12 m² | 14,2 m² | 40 m² |
| Quantité de charbon actif | 2,2 kg | 9 kg | 16 kg | 24 kg | 76 kg |
Voir Bibliographie 17
Concernant le filtre pure il y a une maintenance régulière à effectuer, cette dernière est présenté dans le mode d'emploi à la bibliographie 24. Lors de la procuration du filtre le constructeur nous dit quand faut il le nettoyer (de façon cyclique).
De plus, il annonce les consignes à respecter avant et pendant l'utilisation de l'atmos pur 300 et l'atmos pure 600, ainsi que les risques encourus.
La turbine d'extraction d'air¶
Référence : Ventilateur extracteur d'air ELEKTOR RE 6 Courant monophasé 50 Hz
Description technique : Voir annexe 18
Schémas : Voir fichier en bas de page
Il est possible d'installer un filtre sur ce ventilateur extracteur d'air au niveau de l'admission mais celui-ci n'est utile seulement pour la "rétention de saletés nuisibles et grossières pour protéger le processus et les soufflantes/ventilateurs", et non pour prévenir une propagation de COV et de poussières.
Conception Arduino¶
Ressources :¶
Thèse : Air Quality Arduino Based Monitoring System, King Faisal University, College of Engineering, Electrical Engineering (Fichier PDF en bas de page)
Bases pour les manipulations avec Arduino : "Faire des sciences expérimentales avec Arduino", par Gwénaël Le Bras. Voir annexe 20
Matériel :¶
- Capteur avec composant CCS811B capable de détecter la totalité des COV et le niveau de CO2 dans l'air. Voir annexe 21
- Alimentation 5V
- Carte Arduino UNO
- 10 câbles BBJ21 pour associer les 5 pins du composant à la carte arduino. Voir annexe 22
- Cable jack vers batterie pour alimenter la carte avec une batterie 5V
- Cable USB-A vers USB-B pour connecter la carte à l'ordinateur
- Module Bluetooth HC-05. Voir annexe 29
- Afficheur LCD I2C 160A ou quelconque afficheur LCD. Voir annexe 30
- Application "MIT AI2 Companion" ou "Bluetooth Terminal HC-05". Voir annexe 25 Voir annexe 26
Notes :¶
Protocoles :¶
Le détecteur de COV est composé de 8 pins, nous aurons besoin d'en utiliser 5. Le pin VIN sur le CCS811 est un pin à la puissance non régulée, il est connecté au pin 5V de la carte arduino, un pin à la puissance régulée. Le pin GND (Ground) sur le CCS811 représente la masse, il est connecté au pin GND sur la carte arduino. Le pin SDA (Serial Data Pin) sur le CCS811 est chargé d'envoyer les données vers le pin A4 sur la carte arduino. Le pin SCL (Serial Clock Pin) sur le CCS811 envoie des signaux à intervalles réguliers au pin A5 sur la carte arduino. Le pin WAKE (Wake up Pin) sur le CCS811 est relié au pin GND sur la carte arduino.
Une fois les branchements des pins effectués, on connecte la carte arduino au PC via un cable USB-A vers USB-B. On lance le logiciel "Arduino IDE Software" et on installe la librairie pour l'utilisation du composant : Sketch -> Include Library -> Manage Libraries. Une fonction recherche apparait alors. Nous souhaitons dans notre cas installer la librairie adaptée à la carte JOY-IT. Il faudra donc rechercher "CCS811" et installer la librairie DFRobot_CCS811 Library par DFRobot.
On copie colle dans la librairie le code en C++ à la page 6 du fichier pdf "Connectique capteur CCF 811.pdf", disponible dans la liste des fichiers disponibles en bas de page.
On peut alors exécuter le code et lire les résultats directement sur le PC.
| CCS811 | Arduino |
|---|---|
| VIN | 5V |
| GND | GND |
| SDA | A4 |
| SCL | A5 |
| WAKE | GND |
Fig.1 connectique de la carte CCS811 à la carte Arduino
Mais pour utiliser le capteur indépendamment, sans le pc, il nous faudra une batterie externe de 5V, un module bluetooth ainsi qu'un écran LCD.
Les deux protocoles suivants décrivent le protocole à réaliser pour connecter le module bluetooth seulement, et pour connecter le module bluetooth + l'écran LCD. En ce qui concerne la batterie, elle est branchée à la carte arduino via un cable "battery snap power cable to clip converter".
Le module bluetooth HC-05 est connecté à la carte arduino via 4 pins. Le pin RXD sur le module reçoit les informations envoyées par la carte arduino, il est connecté au pin 11. Le pin TXD sur le module...
| CCS811 | Arduino |
|---|---|
| RXD | 11 |
| TXD | 10 |
| GND | GND |
| VCC | 5V |
Analyse d'une demande en ergonomie¶
Observations ouvertes¶
Description générale des éléments qui composent la situation de travail :
- Personnes qui utilisent la machine et personnes présentent dans les locaux du Fablab
- Tout les locaux du Fablab
- Bois principalement
- Speedy 300
Description générale des problèmes ressentis par les utilisateurs de la speedy 300 :
- Travail en surpression afin de faciliter le travail ?
- Odeur très importante provoqués par la découpe laser
-
Description des ambiances physiques de travail :
- Température ambiante ~20°C
- Nous nous intéressons aux particules
Description des risques :
- Maladies professionnelles :
Description générale des effets sur la santé de l'utilisation de la speedy 300 :
- Sur les opérateurs : Santé
- Sur le public : Santé
Pré-diagnostic¶
Formulation des hypothèses :
- A) Déterminants : "Les facteurs supposés ...
- B) Activité : ... semble conduire le(s) travailleur(s) à réaliser son/leur activité ...
- C) Effets : ... ce qui est susceptibles d'engendrer les effets suivants : ..."
A) 1. Laisser ouvert le capot de la speedy 300 après utilisation
2. Mauvaise aspiration de la turbine
B) 1. de découpe laser du matériau
2. découpe du bois
C) 1. évacuation des particules dans la pièce ce qui conduit à l'inhalation direct des particules par l'utilisateur
2. mauvais évacuation des particules, entraînant inhalation des fumées / particules
Observations systématiques¶
On souhaite réaliser une analyse de l'activité en mobilisant des appareils de mesures afin d'obtenir des résultats pouvant êtres exploités et comparés avec les valeurs de références fournies dans les normes et dans la réglementation.
On souhaite utiliser un capteur de COV professionnel pour effectuer des mesures précises dans la salle de découpe et pour exploiter les résultats en vue d'une comparaison avec le capteur de COV fabriqué.
On utilisera également un capteur de particules réglé sur la fraction alvéolaire (4 µm), correspondant à la taille des poussières de bois. On réalisera alors une mesure des particules de bois (plusieurs types de bois si possible) et dans l'idéal de plastiques (plusieurs types de plastiques si possible) et de liège.
La situation d'activité sera filmée afin d'exploiter plus tard la vidéo pour la diviser en étapes et pour repérer toutes les phases de l'activité.
Diagnostic¶
Transformations¶
*(19/11/2024
Nous allons faire :
- Mesurer les poussières de bois grâce au capteur ...
- Mesurer les COV grâce au capteur TVOC !!
pour mesurer les poussières de bois c'est le même capteur que pour la saé 3.02. Pour le capteur TVOC nous allons apprendre à nous en servir demain donc à compléter)* _ ++ _
Références¶
INRS = Institut national de recherche et de sécurité
ANSES = Agence nationale de sécurité sanitaire de l'alimentation, de l'environnement et du travail
ECHA = Agence européenne des produits chimiques
CIRC = Centre international de recherche sur le cancer
Légifrance = Accès aux textes législatifs et réglementaires
Bibliographie¶
1. Lien pour la fiche de sécurité des machines découpe laser de trotec :
https://www.troteclaser.com/fr/apprentissage-et-assistance/faqs/%C3%A0-quel-point-le-graveur-laser-est-ils%C3%BBr
2. Lien INRS évaluation de l'évaporation des COV dans un local :
https://www.inrs.fr/media.html?refINRS=ED%206058
3. Lien INRS des FDS du Benzène, du Toluène et du Formaldéhyde respectivement dans l'ordre :
a - https://www.inrs.fr/publications/bdd/fichetox/fiche.html?refINRS=FICHETOX_49
b - https://www.inrs.fr/publications/bdd/fichetox/fiche.html?refINRS=FICHETOX_74
c - https://www.inrs.fr/publications/bdd/fichetox/fiche.html?refINRS=FICHETOX_7
4. Lien Légifrance sur les définitions des termes utilisés :
COV : https://www.legifrance.gouv.fr/codes/section_lc/LEGITEXT000006074220/LEGISCTA000006188739/
5. Lien COV rejetté par la machine découpe laser :
https://www.accteklaser.com/fr/la-fumee-produite-par-les-machines-de-decoupe-laser-est-elle-toxique/
6. Proposition par l'ANSES de classification européenne du formaldéhyde
https://www.anses.fr/fr/system/files/REACH2010sa0318.pdf
7. Composés organiques et cancérogénicité - Centre de lutte contre le cancer Léon Bernard
https://www.cancer-environnement.fr/fiches/expositions-environnementales/composes-organiques-volatils-dans-lair/
8. Lien d'un site proposant des capteurs
https://www.gotronic.fr/cat-capteurs-de-gaz-1555.htm
9. La prévention des risques professionnels des Composés Organiques Volatils (COV)
https://www.officiel-prevention.com/dossier/protections-collectives-organisation-ergonomie/risque-chimique-2/la-prevention-des-risques-professionnels-des-composes-organiques-volatils-cov
10. AIDA : définition COV
https://aida.ineris.fr/inspection-icpe/air/cov/cov
11. Différents Bois pouvant être utilisés
https://www.troteclaser.com/fr/matieres/gravure-laser-bois
12. Les matériaux pouvant être utilisés
https://projets.cohabit.fr/redmine/attachments/download/11294
13. Le bois TroCraft Eco
https://www.troteclaser.com/fr/apprentissage-et-assistance/quest-ce-que-trocraft-eco
14. Processus de fabrication du bois MDF
https://processing-wood.com/fr/processus/panneaux/mdf/
15. Composition du contreplaqué :
https://www.machot-bois.com/wp-content/uploads/2016/05/fiche-technique-contreplaqu%C3%A9.pdf
16. Composition du liège aggloméré
https://corkup.fr/le-liege-fabrication-caracteristiques/#:~:text=Comment%20se%20d%C3%A9roule%20la%20fabrication,vie%2C%20en%20moyenne%20170%20ans.
17. Appareils de filtration Trotec
https://www.troteclaser.com/fr/machines-laser/systemes-dextraction#c87559
18. Descriptif turbine ELEKTOR RD6 50hz monophasé
https://www.elektror.com/fr/produit/rd-e6/
19. Risques liés à l'exposition aux poussières de bois
https://www.inrs.fr/risques/poussieres-bois/ce-qu-il-faut-retenir.html
20. "Faire des sciences expérimentales avec Arduino", par Gwénaël Le Bras
https://www.pedagogie.ac-aix-marseille.fr/upload/docs/application/pdf/2023-06/faire_des_sciences_experimentales_avec_arduino_tome_1_vf.pdf
21. Capteur de qualité de l'air CCS811, GOTRONIC
https://www.gotronic.fr/art-capteur-de-qualite-de-l-air-ccs811v1-29604.htm
22. 10 Câbles BBJ21 utiliser pour le capteur COV
https://www.gotronic.fr/art-pack-de-10-cables-de-connexion-m-f-bbj21-27098.htm
23. Capteur COV SenseCAP Indicator D1PRO
https://www.gotronic.fr/art-sensecap-indicator-d1pro-114993071-38264.htm#complte_desc
24. Câblage pour l'alimentation de la carte Arduino avec batterie
https://navlab.fr/projets/outils/arduino/alimenter-votre-carte-arduino/
25. MIT AI2 Companion
https://play.google.com/store/apps/details?id=edu.mit.appinventor.aicompanion3&hl=fr
26. Bluetooth Terminal HC-05
https://play.google.com/store/apps/details?id=project.bluetoothterminal&hl=fr&pli=1
27. Programmation du bluetooth sur MIT AI2 Companion et montage du module et de l'affichage
https://www.robotique.tech/tutoriel/connecter-la-carte-arduino-au-smartphone-via-le-bluetooth/
28. Alimentation des cartes Arduino
https://navlab.fr/projets/outils/arduino/alimenter-votre-carte-arduino/
29. Module Bluetooth HC-05
https://www.gotronic.fr/art-module-bluetooth-hc05-26097.htm
30. Afficheur LCD 2x16 caractères LCD16X2I2C
https://www.gotronic.fr/art-afficheur-lcd-2x16-caracteres-lcd16x2i2c-25650.htm