Ferrofluide

Réaliser un afficheur ferrofluide




Nous souhaitons fabriquer un afficheur ferrofluide 4 fois 7 segments pour une horloge.

Qu'est-ce qu'un ferrofluide ?

Un ferrofluide est un liquide (noir en général) magnétique : le liquide est plus ou moins constitué d'un support à base d'huile minérale ou organique et mélangé à une poudre d'oxyde de fer magnétique noir.

Ce liquide magnétique a des propriétés remarquables : si on en dispose en petite quantité au fond d'un récipient transparent contenant un liquide transparent adéquat et que l'on approche un aimant, le ferrofluide suit l'aimant et génère des volumes avec des pointes assez amusants, en faisant varier le champ magnétique (électro aimant), le volume évolue en des formes surprenantes et esthétiques.

Réalisation du ferrofluide :

On peut acheter du ferrofluide, mais c'est assez cher (quelques centaines d'euros le litre).

Ici nous souhaitons le réaliser nous-mêmes : 

Recette :

- Acheter 1 litre d'huile moteur Castrol Magnatec (environ 15 €)

Le moins cher : Racinglubes :  HUILE MOTEUR CASTROL MAGNATEC 10W40 A3/B4 10,79 € + livraison 4.49 €

- Acheter 100g de poudre de magnétite Fe3O4 (environ 8€) 

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Aliexpress : Poudre d'oxyde de fer magnétique noire, poudre Fe3O4, poudres ultrafines R & D, 99.9% mesh,1um,200nm, taille multiple, 325 8.96€ livraison gratuite

Bien mélanger moitié - moitié en masse : par exemple : 10 g de poudre avec 10 d d'huile (attention, c'est salissant) : on obtient le ferrofluide : un liquide huileux, noir.

On peut tester le ferrofluide en approchant un aimant de la paroi du récipient : il se forme une sorte de boule avec ces pointes...

Nota : les pointes sont dues au fait que les pôles magnétiques de même polarité se repoussent...

Réalisation de l'afficheur :

L'afficheur est réalisé avec 2 plaques transparentes (par exemple les verres des cadres photo) :  ex 18 x 13 cm (environ 2€ pièce).

Les plaques sont séparées de quelle distance ? entre 2 et 6 mm, à tester.

En verre ou en plexi ou équivalent ?

Quel matériau étanche entre les bords des plaques : colle à chaud, mastic silicone, Araldite ?

(Il semblerait que le ferrofluide interagisse avec le silicone et qu'au bout de quelques mois, le ferrofluide perde ses propriétés).

Liquide entre les 2 plaques de verre : eau déminéralisée ? De l'eau (fortement salée… ).

On dispose des cales de 2mm entre les 2 plaques de verre ou de plexi.

On colle les 2 bords latéraux et le bord du bas (colle à chaud, mastic silicone, Araldite...) : dans un premier temps, on ne colle pas le bord supérieur pour remplir, vider, nettoyer, facilement…

On remplit presque entièrement d'eau déminéralisée ou d'eau déminéralisée salée : à tester

On finit de remplir avec 20 ml de ferrofluide qui se dépose au fond de l'afficheur disposé verticalement.

Autre solution pour l'afficheur :

Utiliser un récipient transparent (au moins d'un côté) suffisamment grand, avec 2 surfaces planes, et étanche.

On peut utiliser une bouteille d'eau plate transparente : 

Avantages :

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Profil en acier 20x20 e3 longueur 1m : environ 7€

Bobine 500g fil cuivre émaillé 0.05

Test de l'afficheur :

On installe un film de plastique blanc derrière la face arrière de l'afficheur : on voit donc un rectangle blanc avec une bande noire (ferrofluide) en bas.

On commence par tester en déplaçant un aimant contre le film blanc et en déplaçant l'aimant du bas vers le haut pour emmener le ferrofluide.

Si on retire l'aimant, le ferrofluide doit retomber vers le bas sans salir la face avant transparente.


Electro-aimant :

La première chose à faire, c'est de concevoir un électro-aimant efficace : n'oublions pas qu'il y a environ 20 segments actifs en même temps : 200 mA par segment (ce qui est peu) font 4 A de consommation à l'arrivée.

Deux options pour réduire la consommation :

1 - PWM : après avoir attendu 1 ou 2 s que l'afficheur se stabilise, on réduit (facteur 2 ?) par PWM (rapport cyclique 50% par programmation de l'Arduino. (Par exemple on allume pendant 10ms, on éteint pendant 10ms... Attention au bruit acoustique selon les délais utilisés…) sinon l'horloge est parfaitement silencieuse.

2 - PIR : les électro-aimants sont désactivés sauf si le PIR détecte une présence et à ce moment-là, on active les segments pendant, mettons, 30s : plus rigolo mais moins pratique : (il faut agiter le bras pour lire l'heure si on est assis sur son canapé)

Pour un électro-aimant efficace, il faut refermer le champ magnétique : par exemple, on peut, pour chaque segment, monter en sandwich : une plaque en acier 25x25e2, une "rondelle" en acier Ø15e3 et une 2e plaque en acier 25x25e2. Le tout maintenu par vis écrou M4 (les plaques sont percées en leur centre).

On bobine ensuite autour de la rondelle, du fil Ø 0.1 jusqu'au bord des plaques.

Quelle est l'épaisseur idéale de la rondelle (trop fin : pas assez de fil à bobiner, trop épais trop d'espace pour le champ magnétique… nous suggérons de tester avec 3 mm...

Les 2 plaques de l'électro-aimant sont plaquées contre la bouteille à travers le film blanc opaque.

Il faut déjà s'assurer que le champ magnétique obtenu est suffisamment important pour faire monter le ferrofluide. Si c'est le cas, il faut réaliser un 2e segment vertical, au-dessus du 1er pour vérifier que le ferrofluide va couler en montant du 1er au 2e. On peut ensuite essayer d'optimiser le segment pour une consommation électrique minimale.

Il faudra prévoir une solution pour fixer l'électroaimant à une platine arrière (remplacer une des deux plaques par une cornière ?


On bobine quelques centaines de spires fil fin émaillé (après avoir enroulé de l'adhésif plastique). Le fil ne doit pas dépasser des plaques en acier.

500 g (environ 18g / segment) fil cuivre émaillé 0.1 (c'est le plus cher)

Aliexpress : Bobine de fil de cuivre émaillé, fil d'enroulement magnétique, fil de cuivre, 0.05mm, 0.06mm, 0.08mm, 0.1mm, 0.13mm, poids 500g 21.22€ + livraison 9.54 €

Le moins cher : Aliexpress : Bobine de fil d'enroulement de cuivre émaillé rouge 2UEW 500g fil de cuivre émaillé 0.06 0.1 0.2 0.5 0.16 0.8 0.09mm fil magnétique QA-1-155 17.64 € + livraison 9.38 €

On plaque l'électro-aimant contre le film blanc, vertical, vers le bas, un peu au-dessus du niveau du ferrofluide.

On relie la bobine à une alimentation de labo dont on augmente progressivement l'intensité :

Si tout va bien, à partir d'une certaine intensité (100 mA ???) par exemple, le ferrofluide est attiré par le champ magnétique et "grimpe" puis s'installe entre les 2 bords des plaques de l'électro-aimant pour former approximativement un segment noir vertical de 25 mm de long.

Nota : il faut limiter la consommation : 100 mA par segment avec une vingtaine de segments allumés, ça fait 2 A...

Si on coupe le courant, le ferrofluide retombe et le segment disparait.

Si tout fonctionne correctement, on peut confectionner un 2e électro-aimant identique et l'installer juste au-dessus du premier :

On alimente celui du bas : un premier segment se forme. On alimente celui du haut : un 2e segment se forme. (Le ferrofluide coule du bas vers le haut)

On coupe l'alimentation du segment du bas : il disparaît mais celui du haut persiste.

Nota : si on avait directement connecté le segment du haut, il ne se serait sans doute rien passé : le segment du haut est trop loin du ferrofluide au repos.

Cela veut dire  que pour "allumer" les segments, il faut en tenir compte dans le code et commencer pas les segments du bas.

Ceci dit, pour allumer les chiffres 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9, il y a toujours une continuité et le ferrofluide devrait donc toujours pouvoir "monter" pour atteindre tous les segments du chiffre.

Si tout marche bien, on peut réaliser un afficheur 7 segments vissés sur une platine (alu, acier, bois...)

Il faut aussi s'assurer que, pour les segments horizontaux du bas, en réglant correctement l'altitude du segment par rapport au niveau de ferrofluide, on peut allumer le segment tout en le détachant du niveau de ferrofluide…

Une solution, en cas de problème, serait d'ajouter 4 électro-aimant supplémentaires : 4 segments ordinaires, verticaux, situés sous le milieu de chaque segment du bas permettrait de hausser d'environ 25 mm l'afficheur pour qu'il soit mieux centré par rapport à la bouteille et gagner en visibilité.

Nota :  Ces 4 électro-aimants peuvent être câblés en // (ou en série).

Evidemment, comme d'habitude, avant d'attaquer l'électronique, il faut réaliser l'afficheur, le valider, définir la consommation et la hauteur des segments par rapport au ferrofluide, savoir s'il faut rajouter les électro-aimants (2 ou 4 ?) en option…


Electronique :

Si tout fonctionne, il faudra créer l'électronique : probablement une prise Jack femelle 5V 3A qui alimente un Arduino Nano fixé sur la plaque arrière (avec sa prise USB accessible de l'extérieur pour la programmation). Sans doute 4 petits circuits (fixés sur la face arrière) chacun constitué d'un PCF8574 (I2C 8 sorties) et d'un ULN2004 : buffer 7 sorties pour les 7 segments. Il faudra peut-être rajouter 2 sorties avec 2 Mosfets pour commander le double point clignotant entre les heures et les minutes (pour faire beau et vérifier que le processeur est "vivant") et encore une sortie et un Mosfet pour les (2 ou 4 ?) électro-aimants en option pour faire "monter" le ferrofluide.

Ce qui nous fait : 2 (Poussoirs) + 2 (I2C) + 2 (double point) + 1 (électro-aimant option) = 7 sorties.

L'horloge démarre à 12h00, 2 boutons poussoir en arrière pour régler l'heure et les minutes.

A priori, pas de sauvegarde de l'heure (sinon, il faut rajouter un petit circuit spécialisé et une batterie avec son contrôle.

Pas non plus de réglage automatique de l'heure. (Sinon, module GPS ?)

Il pourra être nécessaire de rajouter un petit module à découpage pour convertir le 5V en une tension plus faible, réglable, reliée aux ULN2004 et qui déterminera la puissance électrique des segments (et la consommation générale).

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A voir et à tester…

Image de synthèse avec les anciens électro-aimants, pas assez efficaces. (Pour montrer les afficheurs, il n'y a que la moitié du film blanc opaque entre les électro-aimants et la bouteille) : 

Image de synthèse avec la bouteille presque remplie (d'eau ? d'eau salée ?) avec les anciens électro-aimants, pas assez efficaces.

On espère que les segments du bas sont suffisamment lisibles : il faut régler la hauteur des segments le plus haut possible par rapport au niveau du ferrofluide. Mais il faut s'assurer, avec un peu de marge, que le ferrofluide puisse "grimper" jusqu'aux segments du bas et se "détacher" du niveau pour les segments du bas soient lisibles.

Nota : l'avantage d'avoir une bouteille un peu large (ici, environ 25 mm intérieur, c'est que le niveau du ferrofluide va peu varier en fonction du nombre de segments affichés… (par contre, la lecture est moins facile).

Réalisation : 

Après avoir testé l'électro-aimant ci-dessous (visible sur les images de synthèse) et qui n'est pas assez efficace (Le champ magnétique n'est pas refermé) :

Nous avons fabriqué un segment approximatif en acier pour voir et faire les premiers essais :

Nous avons ensuite bobiné 10g de fil de cuivre Ø 0.2 (nous avons prévu Ø 0.1 pour les segments définitifs). 

Nota : si on met trop de cuivre, le cuivre va dépasser de la silhouette de la semelle du segment : on ne pourra plus mettre les segments les uns contre les autres.

Nota : nous avons installé un écrou en acier M8 entre les 2 Té en acier, suffisamment large pour pouvoir mettre suffisamment de cuivre. On peut envisager de plier une (ou les 2) des plaques en acier pour garder de la place pour le cuivre et diminuer l'entrefer pour augmenter le champ magnétique… (mais plus difficile à bobiner)

La bobine fait 3 ohms. Sous 0.4 A, l'aimantation est nettement plus importante qu'avec le prototype précédent ci-dessus mais ça reste plus faible qu'un bon aimant…

Nous avons reçu l'huile Castrol et la bouteille plate. Nous attendons de recevoir la magnétite pour préparer un peu de ferrofluide et faire les premiers essais...

Apparemment, une des difficultés avec les afficheurs ferrofluide, c'est d'éviter que le ferrofluide ne "mouille" la surface interne de la bouteille en y laissant des trainées marron qui la rend à peu près inutilisable.

En principe, l'huile du ferrofluide ne devrait pas mouiller la surface de la bouteille. Mais si la surface n'est pas parfaitement propre ou légèrement grasse, les problèmes arrivent.

Nous avons donc soigneusement rincé la bouteille avec de l'eau et un agent mouillant (liquide vaisselle) puis de nouveau à l'eau puis au vinaigre d'alcool que nous avons laissé plusieurs heures. Après avoir vidé et rincé le vinaigre, nous avons préparé dans un récipient 700 ml d'eau déminéralisé et 250g de gros sel (l'idéal aurait sans doute été d'utiliser du chlorure de sodium pur ou du sel casher : le sel standard contient des additifs, de l'iode...). Une fois le sel presque entièrement dissout, nous l'avons filtré (filtre à café) et versé dans la bouteille presque à ras-bord pour que la surface interne soit "imprégnée" de gros sel. Nous l'avons laissé pendant plusieurs jours.

Les fabricants de gadgets à base de ferrofluide ont tous leurs secrets concernant le liquide mystère qui doit être transparent et éviter que le ferrofluide n'adhère à la surface intérieure. Il semble que l'eau très salée soit une solution (économique)...

Un autre avantage est que la densité de l'eau salée saturée est d'environ 1.2 ce qui est très supérieure à la densité de l'eau (1). 

Le ferrofluide paraitra ainsi plus léger dans l'eau salée saturée et montera donc plus facilement près de la surface : les électro-aimants on moins d'effort à fournir.

Les essais :

Nous avons mélangé l'huile et la magnétite : 

Le ferrofluide fonctionne mais nécessite un magnétique important.

De plus avec la magnétite à 200 microns, au bout de quelques heures, la poudre se redépose au fond en une pâte épaisse et l'huile surnage. De plus le ferrofluide salit la paroi en plastique.

Bref, pour l'instant, les premiers essais ne sont pas très brillants...

That's All, folks !

commencé le :

12/08/2023

à jour au :

03/09/2023

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