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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 plexi-glass, 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 (Bibliographie 4 : https://www.legifrance.gouv.fr/codes/section_lc/LEGITEXT000006074220/LEGISCTA000006188739/), AIDA (Bibliographie 10 : https://aida.ineris.fr/inspection-icpe/air/cov/cov)

- 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 : https://www.officiel-prevention.com/dossier/protections-collectives-organisation-ergonomie/risque-chimique-2/la-prevention-des-risques-professionnels-des-composes-organiques-volatils-cov)

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 : https://aida.ineris.fr/inspection-icpe/air/cov/cov)

Recherches

Lors d'une découpe au laser à CO2 est fait sur une matière organique (bois, plastique, caoutchouc) des fumées sont alors présentes. Dans ces fumées les trois principales substances présentent sont le Benzène, le Toluène, le Formaldéhyde, le trimethyl-benzène, l'éthanol, l'acide méthanoïque et le xylène. Ces dernières sont très toxiques, l'inhalation de ces fumées est alors très dangereuse pour l'Homme, . voir tableau 1 / (voir bibliographie 5 : https://www.accteklaser.com/fr/la-fumee-produite-par-les-machines-de-decoupe-laser-est-elle-toxique/) /
_Charactérisation des émissions de découpe laser et d'impression 3D au Fab Lab de Grenoble

Benzène : c'est un hydrocarbure aromatique polycyclique (HAP). Il est classé cancérogène avéré (groupe 1) par le CIRC pour les leucémies. (voir bibliographie 7 : https://www.cancer-environnement.fr/fiches/expositions-environnementales/composes-organiques-volatils-dans-lair/)
- Toxicité pour l'Homme :
  • Le benzène peut provoquer des troubles neurologiques et digestifs, ainsi qu'une pneumopathie d'inhalation (infection pulmonaire) en cas d'aspiration dans les voies aériennes.
    De plus, le Benzène est génotoxiques et peut avoir des effets sur la fonction de reproduction lors d'exposition professionnelle.
    - Toxicité expérimentale :
  • Des études ont montrées que chez l'animal le Benzène est cancérogène. Et va attaquer le "système hématopoïétique et certains tissus d'origine épithéliale". (Foie, rate, ...)
    FDS Benzène
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 : https://www.anses.fr/fr/system/files/REACH2010sa0318.pdf et 7 : https://www.cancer-environnement.fr/fiches/expositions-environnementales/composes-organiques-volatils-dans-lair/
  • Par inhalation le formaldéhyde est très facilement absorbé dans les voies aériennes. Cela peut conduire à une irritation des voies respiratoires en cas d'exposition unique. Considéré comme un risque avéré d'effets graves pour les organes, il n'est en revanche, pas un toxique pour le système reproductif. Selon les études le formaldéhyde est un composé cancérogène, ainsi que mutagène.
    FDS Formaldéhyde et FDS Formaldéhyde
Toluène :
- Toxicité expérimentale :
  • Le Toluène à une faible toxicité aiguë, mais lorsque qu'il y a inhalation il va directement cibler le système nerveux central. Le Toluène peut irriter le système respiratoire.
  • Chez les rats et souris l'exposition répétée / prolongée au Toluène provoque une augmentation du poids des organes.
  • Selon les études menées, le Toluène serait ni cancérogène, ni reprotoxique pour les souris et les rats.
- Toxicité chez l'Homme :
  • Le Toluène est un composé qui est bien absorbé par inhalation, il peut s'incorporer dans les tissus riches en lipides ; particulièrement le cerveau. Mais ce composant va être éjecté lors de l'expiration de l'individu.
  • Une exposition répétée au Toluène pourrait conduire à des troubles neurologiques centraux comme l'altération de l'audition et de la vision des couleurs.
  • Aujourd'hui, il n' y a pas suffisamment de données pour affirmer que le Toluène n'est pas cancérogène pour l'Homme. Par conséquent, une augmentation du nombre de fausses couches ont été décrites.
    FDS Toluène
Mésitylène :
- Toxicité expérimentale :
  • Aiguë : faible taux de contamination par inhalation lors des expérimentations effectuées sur des rats et souris, par contrario il y a des atteintes neurologiques, c'est un irritant léger pour les muqueuses respiratoires.
  • Chronique : lors d'une exposition à forte dose d'un mélange contenant plus de 30 % de mésitylène, il peut y avoir des atteintes neurologiques, hématologiques et physiologiques. Comme une baisse de poids corporel ou encore une dépression du système nerveux central.
  • CMR : Aucune donnée répertorié comme étant CMR.

- Sur l'Homme :
Très peu d'informations sont accessibles dans la littérature quant à la toxicité du mésitylène, simplement qu'une exposition aiguë et/ou chronique peut entraîner des réactions similaires à celles des solvants organiques.
FDS mésitylène

Ethanol :
  • Toxicité expérimentale : La toxicité aiguë de l’éthanol est faible par inhalation, de même pour la toxicité chronique. Pour ce qui est des effets cancérogènes, une évaluation effectuée par le CIRC en 2007 à démontré qu'il existe des preuves suffisantes de la cancérogénicité de l'éthanol chez l'animal. Enfin, ce composé à également des effets sur la reproduction, en induisant une diminution de la viabilité, des malformations et des retards de croissance pour la descendance.
  • Toxicité pour l'Homme : Il existe des cas d'intoxication aiguë par inhalation de vapeurs d'éthanol, et des effets ont été observés pour des concentrations en ppm démarrant à 1380 ppm. Ces effets sont définis comme transitoires et disparaissent rapidement après l'exposition. Pour l'inhalation de vapeurs d'éthanol sur le long terme, il n'est pas établi que des effets chroniques puissent se développer. Enfin, l'éthanol pourrait favoriser le développement de cancers ou des effets sur la reproduction, mais uniquement pour une exposition par ingestion.
    FDS de l'éthanol
Acide methanoïque :
- Toxicité expérimentale :
  • Lors de nos recherches nous avons découvert que ce n'était pas un acide ayant des effets mutagènes. Mais il n'y a pas de données concernant les effets cancérogènes et reproducteurs pour l'Homme .
- Toxicité pour l'Homme :
  • Il est possible qu'il y ait une atteint pulmonaire avec "œdème et syndrome de réactivité bronchique" due à une inhalation.
    FDS acide méthanoïque
Xylène :
- Toxicité chez l'Homme :
  • La voie d'absorption principale est par inhalation. Lors de l'absorption du xylène, il va directement se distribuer dans les tissus riches en lipides.
  • Toxicité aiguë du xylène : par inhalation, les principaux effets sur l'homme vont être des signes d'irritation des muqueuses (oculaire et nasale), ainsi que des effets neurologiques.
  • La toxicité chronique se caractérise par un syndrome psycho-organique (anomalie de la personnalité/troubles de mémoires, de raisonnement, etc.).
  • "Les données disponibles ne permettent pas de statuer formellement sur la cancérogénicité ou sur la reprotoxicité propre des xylènes, mais des atteintes sur la fertilité."
    FDS Xylène

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Fig. Evolution de la concentration en différents COV en fonction du temps, tableau modifié de l'article de la MDPI "Characterization of Emissions in Fab Labs: An Additive Manufacturing Environment Issue"

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 19 : https://www.inrs.fr/risques/poussieres-bois/ce-qu-il-faut-retenir.html)
Une 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 Bibliographie
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 : https://projets.cohabit.fr/redmine/attachments/download/11294

/ 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 : https://corkup.fr/le-liege-fabrication-caracteristiques/#:~:text=Comment%20se%20d%C3%A9roule%20la%20fabrication,vie%2C%20en%20moyenne%20170%20ans
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 : https://www.troteclaser.com/fr/machines-laser/systemes-dextraction#c87559

Mode opératoire de l'atmos cube : Mode opératoire filtre atmos cube
Mode opératoire de l'atmos pure : Mode opératoire filtre atmos pure

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 bibliographie 18 : https://www.elektror.com/fr/produit/rd-e6/

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.

Capteur Métal Oxyde MOX

Le composant CCS811 que nous utilisons pour la conception de notre capteur COV est composé d'un capteur Métal Oxyde MOX. Celui-ci est fourni par GoTronics, mais ceux ci ne précisent pas le fonctionnement du capteur. En revanche, le fournisseur Sensirion utilise le même type de capteur pour ses composants et dispose d'un document expliquant son principe de fonctionnement. ELEKTOR RD6 50HZ.

- C'est une surface chauffé d'oxyde métallique, qui va changer la résistance électrique qui dépend de l'oxygène contenue dans la surface.
Les gaz comburant comme le NOx (fournissant plus d'oxygène que l'air ambiant) créaient de la résistance, alors que les VOC réduisent la résistance.
L'Humidité a un impact direct sur le capteur MOX, due à la vapeur d'eau qui va être "gaz réducteur". Il existe des composant qui peuvent compenser ce phénomène.

Le capteur MOX va bien détecter les changements de la composition des gaz. Il va également comprendre l'association d'évènements gazeux dans l'air.

- Il est possible de calibrer le capteur MOX afin de mesurer un seul gaz dans l'air mais il faut être dans des conditions spécifique type laboratoire.
Pour notre situation, il y a deux aspects qui vont nous embêter pour mesurer un seul gaz :
  • Il faut utiliser une base de référence pour laquelle nous connaissons sa concentration, afin de pouvoir déterminer les concentrations que nous obtiendrons lors des mesurages de notre local.
  • Nous pouvons étalonner et calibrer un appareil sur un gaz spécifique ou un mélange des gaz, mais le capteur ne va pas mesurer spécifiquement un seul gaz. Ce genre d'appareil ne sait pas distinguer des gaz entre eux.

IL est possible d'améliorer le capteur afin qu'il distingue les réducteurs et oxydants ce qui nous permettrait de différencier COV et NOx.

Principe du fonctionnement du capteur MOX

Conception Arduino

Ressources :

Thèse : Air Quality Arduino Based Monitoring System, King Faisal University, College of Engineering, Electrical Engineering : Documentation scientifique protocole utilisation capteur CCS 811

Bases pour les manipulations avec Arduino : "Faire des sciences expérimentales avec Arduino", par Gwénaël Le Bras. Voir bibliographie 20 : https://www.pedagogie.ac-aix-marseille.fr/upload/docs/application/pdf/2023-06/faire_des_sciences_experimentales_avec_arduino_tome_1_vf.pdf

Matériel :

Notes :

IMG (note tableau)

IMG (note tableau)

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.

ATTENTION : Bien vérifier que la carte Arduino est connectée au PC en regardant en bas à droite de l'interface du logiciel. Si l'information "No Board selected" est affichée, cliquer sur "Select board" en haut de l'interface et selectionner le carte connectée.

ATTENTION : Lorsqu'on installe la librairie, des lignes de code sont chargées automatiquement. Nous n'en aurons pas besoin alors il sera nécessaire de les supprimer afin que le programme fonctionne bien après avoir copié collé le code donné.

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Fig... : Lignes de code à supprimer

On copie colle dans la librairie le code en C++ à la page 6 du fichier : Mode d'emploi et code C++ pour la connexion à la carte Arduino du CCS 811. Arrivé à cette étape le terminal correspond à celui-ci :

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Enfin, il faudra ouvrir le moniteur permettant d'afficher les mesures. Pour cela, cliquer sur l'onglet "Tools", puis "Serial Monitor". Le "baudrate" doit être paramétré sur 115200.

On peut alors exécuter le code et lire les résultats directement sur le PC.

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Fig.1 connectique de la carte CCS811 à la carte Arduino

Les connexions entre pins sur la carte sont les suivantes :

CCS811 Arduino
VIN 5V
GND GND
SDA A4
SCL A5
WAKE GND

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 transmet les informations à la carte arduino. Le pin GND Le pin GND (Ground) sur le module représente la masse, il est connecté au pin GND sur la carte arduino. Le pin VCC sur le module est un pin correspondant à l'alimentation du circuit, il est connecté au pin 5V de 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", il n'est pas nécessaire d'installer une librairie spécifique pour ce composant.

On copie colle dans le terminal le code en C++ :Mode d'emploi et code C++ pour la connexion à la carte Arduino du HC-05. Ensuite, on installe sur un smartphone (fonctionnant avec l'OS Android) l'application "Bluetooth terminal HC-05". Il sera ensuite possible d'appairer le composant au smartphone avec le code pin défini de base "1234".

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Fig.2 connectique du module bluetooth à la carte Arduino

Les connexions entre pins sur la carte sont les suivantes :

CCS811 Arduino
RXD 11
TXD 10
GND GND
VCC 5V

Il existe également une deuxième méthode pour utiliser la carte arduino avec le capteur sans ordinateur.

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Fig.3 connectique du module bluetooth et de l'écran LCD à la carte Arduino

Peut-on extraire sur un fichier texte (ou autre) les données mesurées par arduino pour en faire un graphique

Intervention en Ergonomie

Observations ouvertes

Cette étape consiste à rencontrer les différents acteurs en activité et observer leur situation de travail.

Les déterminants de l'activité

Techniques :
  • Odeur importante de bois ou de plastique brûlé dans la pièce lors de l'utilisation de la machine. Il a été relevé notamment une très forte odeur de plastique lors de la découpe du plexiglass.
  • La turbine d'extraction d'air fonctionne durant tout le temps d'utilisation de la machine, même lors de l'ouverture du capot et lors du travail sur PC. L'aspiration ne serait-elle pas suffisante ? Ou pas hermétique ? On remarque que le tube est raccordé à certains endroits avec du scotch. La turbine a un débit d'aspiration de 21,0 m3/min, et a un rendement de 57%, donc 43% de pertes (donc attention à la perte en charge). En entreprise, les opérateurs travaillent souvent avec un système de ventilation par surpression. Il existe donc des turbines a dépression ou a surpression.
  • Il a été également notifié les difficultés que les opérateurs rencontrent pour sélectionner les matériaux adaptés en magasin, notamment pour le plexiglass, où il en existe un grand nombre de produits.
Humains :
  • Pour certains opérateurs, le capot de sécurité reste ouvert pendant les manipulations sur PC. Est-ce nécessaire ?
  • Dans le manuel d'utilisation de la machine, il est préconisé d'attendre 30 secondes avant l'ouverture du capot après découpe pour permettre l'évacuation des fumées.
Organisationnels :
  • La porte de la pièce de découpe est fermée pour éviter la propagation des odeurs dans les locaux et pour réduire le bruit perçu par les autres opérateurs.
  • Fenêtres ouvertes lors de l'arrivée des responsables pour aérer la pièce et estomper les odeurs.

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, plexiglass, liège...
- Trotec Speedy 300

Description générale des problèmes ressentis par les utilisateurs de la Speedy 300 :
- Odeur très importante provoqués par la découpe laser
- Travail en surpression afin de faciliter le travail ?

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 d'hypothèses après l'observation ouverte de l'activité. Ces hypothèses seront vérifiées lors des observations systématiques.

Formulation des hypothèses :
- Déterminants : "Les facteurs supposés déterminants ...
- Activité : ... semblent conduire le(s) travailleur(s) à réaliser son/leur activité ...
- Effets : ... ce qui est susceptibles d'engendrer les effets suivants : ..."

A) Les facteurs suivants (jsp) semblent conduire les opérateurs à laisser ouvert le capot de la speedy 300 après utilisation, ce qui est susceptible d'engendrer une propagation des gaz et fumées dans l'air.

B) Les facteurs suivants (jsp) semblent conduire les opérateurs à ouvrir le capot avant les 30 secondes d'attentes, ce qui est susceptible d'entraîner une mauvaise aspiration des fumées par la turbine et d'engendrer une propagation des gaz et fumées dans l'air.

C) L'épaisseur ou la dureté importante de certains matériaux conduit les opérateurs à paramétrer le laser sur une puissance élevée, ce qui est susceptible d'engendrer une production importante de fumées et de flammes.

Observations systématiques

Cette étape consiste à analyser l'activité de travail en mobilisant des appareils de mesure.

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, et afin de vérifier l'exposition potentielle des opérateurs aux poussières de bois.

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.

Protocole

Démarrer la vidéo de l'activité ;
Equiper l'opérateur du sac à dos avec le capteur de poussières et fixer le tube au niveau de l'épaule, proche des voies respiratoires ;
Filmer le démarrage du capteur de poussières ;
Filmer le démarrage du capteur COV ;
L'opérateur n'utilise pas la machine pendant 5 minutes, il est situé hors de la salle de découpe ;
L'opérateur entre dans la salle de découpe à l'issue de ces 5 minutes ;
L'opérateur utilise la machine et réalise toutes ses activités ;
L'opérateur n'utilise plus la machine et sors de la pièce pendant 5 minutes ;
Arrêt des appareils de mesure et de la vidéo.

Le matériel utilisé est le suivant :

Capteur de micro-particules
  • Référence : Thermoscientific MIE PDR-1500
  • Caractéristiques :
    Mesure en continu de la concentration massique des particules en suspension dans l’air
    Choix de la fraction à mesurer : thoracique, alvéolaire, poussières totales
  • Informations : Fraction à mesurer pour l’analyse de la concentration en poussières de bois : fraction alvéolaire (PM-4).
Capteur de nano-particules
  • Référence : Testo Discmini
  • Caractéristiques :
    Mesure en continu du nombre de particules dans l'air, de leur taille (diamètre) et de la Lung Deposited Surface Area.
  • Informations :
  • Récupération des données :
Capteur COV
  • Référence : PID COV MiniRAE 3000
  • Caractéristiques :
    Mesure en continu de la quantité de COV présent dans l'air, en ppm ;
    Plage de mesure allant jusqu'à 15 000 ppm.
  • Informations :
    Le manuel d’utilisation détermine le protocole pour étalonner l’appareil (page 41) Bibliographie 31 : https://www.electrogasmonitors.com/wp-content/uploads/2018/04/Manual_MINIRAE3000_USERGUIDE.pdf. Le capteur COV est étalonné lors d'une première calibration à l'air pur (pas de COV) et lors d'une deuxième calibration avec un gaz à concentration connue, ici de l'iso butylène a 100ppm. Ensuite, on choisit le gaz à mesurer, et l'appareil fait la conversion entre le gaz étalon et le gaz mesuré. Cet étalonnage de l'appareil se fait si l'appareil n'a pas été calibré depuis plus de 30 jours, ou si le détecteur a été changé, si le gaz étalon a été modifié ou encore si le paramétrage de la lampe a été changé.
    Pour éviter d’avoir une bouteille étalon pour chaque gaz à mesurer, on étalonne l’appareil avec l’iso-butylène, puis un facteur de conversion est appliqué pour convertir l’étalonnage assimilé pour ce gaz à l’autre composé à mesurer.
    L'appareil est composé d'une lampe 10,6eV pour ioniser les particules. En effet, le capteur utilise la technologie PID pour détecter les concentrations en produits chimiques dans l’air, c’est la technique de détection des gaz la plus courante pour la mesure des COV. Elle consiste à “ioniser grâce à une source lumineuse (lampe) les composés volatils et à mesurer le courant engendré par cette ionisation entre des électrodes”6 : les molécules sont ionisées par des photons pour être transformées en cations. C’est une méthode non sélective, c’est à dire que tous les gaz détectés par le capteur sont analysés, mais sont reportés pour 1 seul gaz mesuré. C’est donc un paramètre à prendre en compte pour l’interprétation des résultats, la mesure du gaz peut ne pas être représentative de la quantité réelle présente dans l’air. En effet, pour les mélanges complexes, certains composés peuvent interférer.
    Il existe plusieurs lampes pour ioniser les molécules. L’appareil utilisé est équipé avec une lampe 11,7 eV ayant la capacité de mesurer une plus grande quantité de composés que la lampe 10,6 eV par exemple, mais celle-ci est moins durable et produit moins d’énergie, importante pour obtenir une bonne résolution de mesures.
  • Récupération des données :
    1) Connectez le câble de données au PC et au socle.
    2) Placez l'instrument dans son socle. La LED de charge devrait s'allumer.
    3) Lancez ProRAE Studio sur votre PC.
    4) Dans ProRAE Studio, sélectionnez « Opération » puis « Configuration de la connexion ».
    5) Sélectionnez le port COM pour établir un lien de communication entre le PC et l'instrument.
    6) Pour recevoir le journal de données sur le PC, sélectionnez « Télécharger le journal de données » (Downlog Datalog).
    7) Lorsque vous voyez « Informations sur l'unité », cliquez sur OK.
    Pour plus d'informations, consulter Bibliographie 31 : https://www.electrogasmonitors.com/wp-content/uploads/2018/04/Manual_MINIRAE3000_USERGUIDE.pdf
Caméra
Filmer l'activité pour associer les mesures aux différentes tâches.

Diagnostic

Dans cette étape, on restitue auprès des différents interlocuteurs les données relevées et les résultats des mesures.

Transformations

Proposition de pistes d'action.

Analyse de la vidéo

L'activité en salle de découpe laser a été filmée le Mardi 26 Novembre de 14h30 à 15h30. Un groupe d'étudiant en master avait réservé la salle pour l'après midi afin de travailler sur leurs projets. Avec leur autorisations et celle de leur professeur, nous les avons pris en vidéo pendant qu'ils utilisaient la machine à découpe laser.

Grâce à la vidéo, l'activité est découpée en plusieurs phases :

  • 00:12 = Démarrage des capteurs PDR
  • 2:02 = Le capteur PDR 2 est placé dans la salle, éloigné de la machine de découpe laser
  • 2:21 = Le capteur PDR 1 est placé dans la salle, sur le bureau à côté de la machine de découpe
  • 3:28 = Découpe des planches de bois à la scie à main, par l'un des étudiants
  • 18:27 = Fin de la découpe des planches de bois à la scie à main
  • 20:48 = Démarrage du MiniRae 3000
  • 21:10 = Travail sur le poste d’ordinateur à côté de la machine. Paramétrage du logiciel de découpe et des pièces à découper.
  • 28:12 = Ouverture de la vitre de sécurité et calibration du laser
  • 33:13 = Gravure laser de la plaque de bois
    - 33:13 = Capteur COV placé à côté de la machine
    - 35:16 = Capteur COV placé à côté de la turbine
    - 36:43 = Capteur COV placé à côté de la ventilation de la machine
    - 38:03 = Capteur COV placé dans l’interstice/”jour” de la plaque en verre
    - 44:41 = Découpe laser de la plaque de bois
    - 44:41 = Capteur COV placé dans l’interstice/”jour” de la plaque en verre
    - 45:33 = Capteur COV placé à côté de la machine
  • 46:13 = Fin de la découpe laser
  • 47:06 = Ouverture de la vitre
  • 47:43 = Fermeture de la vitre
  • 47:52 = Travail sur les postes personnels
  • 52:07 = Ouverture de la vitre de sécurité et calibration du laser
  • 53 : 08 = Travail sur le poste d’ordinateur à côté de la machine. Paramétrage du logiciel de découpe et des pièces à découper.
  • 54:20 = Fermeture de la vitre
  • 54 : 26 = Découpe laser de la plaque de bois
  • 54:26 = Capteur COV placé à côté de la machine
  • 54:31 = Fin de la découpe laser
  • 54:34 = Ouverture de la vitre
  • 54:50 = Travail sur le poste d’ordinateur à côté de la machine. Paramétrage du logiciel de découpe et des pièces à découper.
  • 1:02:35 = Découpe laser de la plaque de bois
    - 1:02:35 = Capteur COV placé à côté de la machine
  • 1:03:56 = Interruption de la découpe pour faire des vérifications
  • 1:03:56 = Ouverture de la vitre
  • 1:04:04 = Fermeture de la vitre
  • 1:04:12 = Découpe laser de la plaque de bois
    - 1:04:12 = Capteur COV placé dans l’interstice/”jour” de la plaque en verre
    - 1:06:52 = Capteur COV placé à côté de la turbine
  • 1:08:28 = Sortie du local avec le Capteur COV
  • 1:08:48 = Sortie du local avec le capteur PDR 2
  • 1:09:02 = Sortie du local avec le capteur PDR 1
  • 1:11:01 = Désactivation du PDR 2
  • 1:11:10 = Désactivation du PDR 1
  • 1:11:23 = Désactivation du Capteur COV

Mesures lors de la découpe du bois uniquement

Mesure de la concentration en COV

Date : 19/11:2024 at 16:00
------------------------------------------------------------
Unit Name MiniRAE 3000(PGM-7320)
Unit SN 592-905706
Unit Firmware Ver V1.10C
------------------------------------------------------------
Running Mode Hygiene Mode
Measure Type Min; Avg; Max
Datalog Mode Continuous
Datalog Type Auto
------------------------------------------------------------
Begin 19/11/2024 16:00:52
End 19/11/2024 16:28:33
Number of Records 1661
------------------------------------------------------------
Sensor VOC
Measurement Gas Toluene
Calibration Time 15/11/2024 10:16
------------------------------------------------------------
Peak : 0.122 ppm
Min : 0.005 ppm
Average : 0.021 ppm

IMG

Mesure de la concentration en poussières

PDR 1

"Model Number", "PDR-1500", 01.32
"Start Time ", 14:42:47
"Start Date ", 26-Nov-2024
"Unit Name ", "ug/m3"
Paramétré sur la fraction alvéolaire (4μm)

IMG

PDR 2

"Model Number", "PDR-1500", 01.34
"Start Time ", 14:40:30
"Start Date ", 26-Nov-2024
"Unit Name ", "ug/m3"
Paramétré sur la fraction alvéolaire (4μm)

IMG

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

31. Guide d'utilisateur Mini RAE 3000
https://www.electrogasmonitors.com/wp-content/uploads/2018/04/Manual_MINIRAE3000_USERGUIDE.pdf