Come fare una stampante 3D con Arduino

Negli ultimi anni, le stampanti 3D sono diventate più convenienti e, di conseguenza, più popolari. Ciò ha scatenato una vasta – e ancora in crescita – comunità di costruttori di stampanti fai-da-te. Sebbene i vari progetti differiscano in termini di design e stili di costruzione, molti si affidano ad Arduino. Esistono, fondamentalmente, due modi per costruire una stampante 3D con Arduino: il fai-da-te completo o l’acquisto di un kit da montare. Ogni approccio presenta vantaggi e svantaggi, nonché caratteristiche distinte. Il primo è più impegnativo, mentre il secondo è più facile da affrontare.

La tecnologia di stampa 3D è diventata molto popolare negli ultimi anni, anche se entrare nell’hobby potrebbe essere ancora troppo costoso per molte persone a causa dei prezzi elevati. Ci sono molte stampanti 3D convenienti che puoi trovare in vendita, ma se stai cercando di fare un passo avanti, puoi costruirne una da solo. Arduino ha offerto ai maker una delle migliori opportunità per creare dispositivi in grado di svolgere un’ampia gamma di attività, e la stampa 3D non fa eccezione.

Il risparmio che otterrai costruendo da solo la tua stampante dipenderà dal progetto che scegli, ma in genere scoprirai che costruire la tua stampante 3D usando Arduino è molto più conveniente che optare per un modello già realizzato. Indipendentemente dal fatto che si acquistino le parti in un kit o separatamente, costruire la propria stampante 3D può spesso essere più economico, ma se hai bisogno di funzionalità di stampa ad alta precisione assicurati di avere una macchina fatta di pezzi di qualità.

Parti dell’estrusore di una stampante 3D.

Un altro motivo per cui puoi risparmiare parecchi soldi costruendo la tua stampante 3D da solo è che potresti già avere alcuni dei materiali di cui hai bisogno. Scoprirai che alcune stampanti 3D possono essere realizzate con parti semplici come il motore di un’unità a disco. Fra le parti di recupero di un PC utilizzabili vi sono le unità Blu-ray 4 DVD che utilizzano motori passo-passo, ottimi per l’ugello e per il posizionamento della piattaforma, un vecchio alimentatore per PC, e ingranaggi per costruire l’estrusore.

In tal modo, con Arduino si può costruire una stampante 3D funzionante con un budget non superiore a 100 €. Con questo tipo di stampante 3D, si può raggiungere una risoluzione dello strato molto elevata (ad es. di 0,08 mm, cioè 80 micron, mentre la risoluzione di uno strato è in genere di circa 200 micron, ed i 100 micron sono possibili solo a partire da prodotti di fascia media in su) e implementare una piattaforma riscaldata, caratteristica che di solito viene offerta solo sui modelli di alto livello.

L’approccio fai-da-te completo con Arduino

L’approccio fai-da-te completo è il modo più difficile e impegnativo per realizzare una stampante 3D con Arduino. Richiede una notevole conoscenza tecnica ed esperienza nella costruzione / riparazione di elettronica. Tuttavia, è anche l’approccio più interessante e gratificante. Come suggerisce il nome, il modo fai-da-te richiederà di fare praticamente tutto da solo: ciò include la selezione dei componenti, la pianificazione, la progettazione, la costruzione e l’installazione della stampante.

Schema del “cuore” di una stampante 3D.

Se scegli di costruire la tua stampante 3D da zero, dovrai prima progettarla. Successivamente, dovrai acquistare tutte le parti e gli strumenti necessari di cui avrai bisogno. In alternativa, è possibile riutilizzare alcune parti e componenti dai dispositivi elettrici / elettronici personali. Ad esempio, potresti utilizzare l’alimentatore del tuo vecchio PC o i motori passo-passo del videoregistratore. Oggi è possibile costruire una stampante 3D fai-da-te a basso costo utilizzando molte parti recuperate.

I vari tipi di stampanti 3D sono leggermente diversi nella loro costruzione e approccio di controllo. Tuttavia, ci sono alcune parti che ti serviranno per qualsiasi tipo di stampante 3D Arduino:

1) Controller Arduino: il fattore determinante di qualsiasi progetto Arduino è il controller Arduino, il più popolare è l’Uno R3, un altro è il Mega. Questo è il nucleo di qualsiasi costruzione di stampanti 3D Arduino, in quanto memorizza il programma di controllo utilizzato per far funzionare effettivamente la stampante.

2) Testina di stampa 3D o estrusore a caldo: qualsiasi stampante 3D richiede un modo per applicare il filamento alle tue stampe, che è ciò per cui vengono utilizzate tali parti. Esse funge da nucleo della parte meccanica di una stampante 3D, trasformando i tuoi rotoli di filamento nei tuoi progetti.

Il corpo dell’hot-end, che provvede allo scioglimento del filamento che va all’estrusore.

3) Letto riscaldato: fortemente consigliato per qualsiasi stampante che si prevede di utilizzare effettivamente. I letti riscaldati, mantenendo i tuoi oggetti stampati uniformemente riscaldati. prevengono problemi quali scarsa adesione al piano di stampa, scarsa adesione tra gli strati e deformazione.

Il fulcro delle stampanti fai-da-te è di solito una testina di stampa 3D poco costosa, che può essere acquistata per poche decine di euro su Amazon. Altre parti che contribuiscono al costo della macchina includono la scheda Arduino, il controller del motore passo-passo e il filamento per il processo di stampa vero e proprio. È possibile acquistare un estrusore commerciale per circa 30 euro. Il resto delle parti, come detto, può essere facilmente ricavato da vecchi PC o progetti di Arduino.

I tre motori che guidano la testina vanno fissati al telaio della stampante, e sono collegati ai controller dei motori passo-passo. Questi ultimi sono poi collegati, a loro volta, alla scheda Arduino, che funge da “cervello” dell’intera macchina, dicendo ai motori come spostare la testina durante il processo di stampa 3D. La scheda Arduino controlla anche il processo di estrusione del filamento, realizzato dall’estrusore, che riceve dal codice di Arduino un opportuno comando sulla pressione da effettuare.

Il telaio di una nota stampante 3D, che puoi trovare facilmente online, ad esempio qui. Sono visibili anche il letto ed i motori.

Dopo aver deciso il design e ottenuto tutto ciò di cui hai bisogno, puoi procedere alla fase più interessante e stimolante del processo: la costruzione della stampante 3D. Innanzitutto, devi impostare il telaio. Di solito, le stampanti fai-da-te presentano dei telai in metallo (l’alluminio è l’opzione più popolare) o in legno. Successivamente, è necessario impostare gli assi X, Y e Z. Dovresti prestare una maggiore attenzione a questi componenti e assicurarti che siano adeguatamente calibrati.

Fatto ciò, è necessario installare la testa di estrusione e l’estrusore sul motore passo-passo. Quindi, collegare il letto termico alla base della stampante. Assicurati che il letto sia ben fissato. A questo punto inserisci l’elettronica. Successivamente, è necessario installare l’alimentatore (di potenza adeguata) e il kit della scheda di controllo. La combinazione di schede RAMPS 1.4 / Mega 2560 è una delle opzioni più popolari. È una soluzione affidabile, versatile e facile da usare.

Una scheda RAMPS 1.4 e una scheda Mega 2560 di Arduino.

RAMPS sta per “RepRap Arduino Mega Polulu Shield”, ed è una scheda che funge da interfaccia tra Arduino Mega – il computer microcontrollore – e i dispositivi elettronici su una stampante 3D RepRap. Il computer estrae informazioni da file contenenti dati sull’oggetto che si desidera stampare e li traduce in eventi digitali, come fornire una tensione a un pin specifico. Comprensibilmente, ci vogliono moltissimi di questi pin che si accendono e si spengono per dire a una stampante cosa fare.

Sfortunatamente, la Mega non ha abbastanza potenza per far funzionare effettivamente l’hardware della stampante. È qui che entra in gioco la scheda RAMPS. Organizza e amplifica le informazioni provenienti dalla scheda Arduino Mega in modo che siano indirizzate correttamente verso i canali corretti. Ad esempio, se il carrello hot end deve spostarsi di un passo verso sinistra, la scheda RAMP indirizza i segnali dal motore Mega al motore passo-passo dell’asse X tramite i pin e i cavi appropriati.

Diagramma di cablaggio di una scheda RAMPS.

Una delle cose principali, in una stampante 3D, è il software. Esiste uno speciale tipo di software usato per la stampa 3D. A questo punto, quindi, installa il software: Marlin Firmware, creato nel 2011 per RepRap e Ultimaker, è una delle opzioni più popolari per controllare una stampante 3D basata su Arduino. Fusion 360 è invece un utile software free CAD/CAM impiegato per creare modelli 3D. Puoi anche usare altri software di progettazione 3D, come Solidedge, Catia, Creo, Solid work, Autodesk Inventor, etc.

I pro di questo approccio includono l’essere coinvolti nel progetto dall’inizio alla fine. È l’approccio più difficile ma anche il più interessante. Di conseguenza, è anche il più gratificante. Tuttavia, questo approccio richiede un alto livello di conoscenza e abilità. Inoltre, richiede tempo ed è lento, quindi potrebbe non essere la soluzione migliore per i dilettanti e maker meno pazienti. Il percorso fai-da-te è generalmente consigliato solo se stai costruendo la tua prima stampante 3D fatta in casa.

La stampante 3D RepRap basata su Arduino.

L’acquisto di una stampante in kit da montare

Invece dell’approccio fai-da-te completo, puoi seguire il percorso del kit da montare. Si tratta di un processo un po’ più semplice e rapido rispetto al precedente, poiché i kit di stampanti 3D vengono forniti con manuali di istruzioni dettagliati. Dovrai comunque eseguire tu stesso il montaggio, la calibrazione e le regolazioni. Se scegli di seguire questa strada, ci sono molte marche e modelli tra cui scegliere. I produttori più popolari di kit basati su Arduino includono Arduino, e-Waste e Ultimaker.

Alcuni dei più grandi pro di questo approccio sono che è più facile e richiede meno tempo dell’approccio fai-da-te completo. I kit vengono forniti con tutte le parti necessarie e con istruzioni dettagliate. A parte ciò, questo metodo richiede un po’ meno conoscenza tecnica ed è più facile da padroneggiare. D’altra parte, potrebbe essere meno stimolante e più limitante per alcuni utenti. Ma, qualsiasi approccio tu scelga, costruire una stampante 3D con tecnologia Arduino è un’avventura entusiasmante.

Collegamento di una scheda RAMPS ai vari componenti di una stampante 3D.

La storia delle stampanti Arduino 3D è molto interessante. L’idea è nata nel febbraio 2004. È stato Adrian Bowyer a progettare il concetto di macchina che consente di auto-replicarsi anche quando si lavora online. Ha ottenuto la sponsorizzazione e alla fine il sogno è diventato realtà con la prima stampa del prototipo RepRap 0.2. Il successo di questa impresa ha incoraggiato altri a proporre le prime stampanti 3D Arduino. È stata la seconda generazione di stampanti 3D open source di RepRap.

Questa integrazione di RepRap e Arduino è stata una vera rivoluzione che ha mostrato risultati eccezionali a un prezzo molto basso. La stampante MakerBot, prodotta da una società di stampanti 3D e basata sul lavoro della fondazione RepRap, è stata inizialmente dotata di una scheda madre RepRap v1.1 con un Sanguino, che è una scheda compatibile con Arduino che aveva più pin e raddoppiava la RAM e la memoria rispetto alla rispettiva scheda Arduino. Ciò rese le stampanti 3D un prodotto di massa.

Ma un enorme salto nel mondo delle stampanti 3D Arduino è arrivato sotto forma di Ultimaker. I creatori non erano contenti dei sistemi precedentemente esistenti. Questa insoddisfazione riguardo ai modelli RepRap ha portato alla creazione di Ultimaker nel 2011, con l’obiettivo di creare qualcosa di più facile da assemblare. Le stampanti 3D Ultimaker allora erano guidate da ArduinoMega 1280 o Arduino Mega 2560. Da allora, l’idea RepRap si è evoluta e ha gettato le basi della moderna stampa 3D.

La stampante 3D Ultimaker, basata su Arduino.

Spero che questa guida ti aiuti a trovare il miglior progetto di stampante 3D, sia che tu voglia realizzarlo da solo usando Arduino sia che tu scelga di acquistare il prodotto “chiavi in mano” pronto all’uso. Come puoi vedere su Internet, c’è una vasta gamma di opzioni disponibili, ognuna delle quali si rivolge a un budget specifico e al livello richiesto di qualità di costruzione. Diamo un’occhiata ad alcuni dei fattori più importanti da tenere in considerazione prima di creare la tua stampante 3D Arduino.

Dovrai pensare alle dimensioni della stampante 3D che stai cercando prima di effettuare l’acquisto, in quanto ciò determinerà più di ogni altra cosa quello che sarai in grado di costruire. Sebbene le stampanti più piccole siano più facili da assemblare, non sono in grado di stampare qualsiasi oggetto. Man mano che la tua stampante 3D diventa più grande, mantenerla affidabile sarà un lavoro più duro poiché ci saranno più parti in movimento. Quindi devi bilanciare gli aspetti di dimensioni e convenienza.

Naturalmente, se hai intenzione di realizzare una stampante 3D fai-da-te, dovrai tenere conto delle cose che vuoi realizzare con essa. Avere un’idea di ciò che costruirai utilizzando la tua stampante 3D significa che sarà molto più facile per te scegliere un kit che funzioni meglio per le tue esigenze. I filamenti disponibili per l’uso con la stampante, ad esempio, sono molto più importanti di quanto tu possa pensare, poiché materiali diversi offrono proprietà diverse agli oggetti stampati.

Alcuni esempi di kit di stampanti 3D sul mercato. Ne trovi diversi qui

Il principale problema di fondo qui è la precisione. Le costruzioni più grandi non soffriranno molto per le configurazioni meno precise della stampante 3D Arduino, mentre i progetti delicati – come miniature da tavolo o opere d’arte complesse – potrebbero essere impossibili da stampare da una stampante non sufficientemente precisa. Se non sai cosa vuoi fare con la tua stampante 3D, scegliere quella giusta è spesso come scattare una foto al buio, quindi rifletti attentamente su questo aspetto.

Oggi, le schede Arduino sono il cuore e l’anima della maggior parte delle stampanti 3D. Si trovano principalmente nelle schede “RAMBo” (scheda madre compatibile con RepRap Arduino). Anche se ci sono molti kit di stampanti 3D in giro, i kit di stampanti 3D Arduino fai-da-te sono diventati una rarità. Quindi sebbene, tecnicamente parlando, la maggior parte delle stampanti 3D siano basate su Arduino (a causa delle loro schede madri), i kit di stampanti 3D Arduino fai-da-te sono relativamente pochi.

Per usare una stampante 3D, avrai bisogno del filamento di plastica, noto come “PLA” (acronimo di PolyLactic Acid). Il PLA è un filamento biodegradabile costituito da risorse rinnovabili, come amido di mais, radici di tapioca, patatine o amido o canna da zucchero. Il PLA viene fatto passare attraverso l’ugello dell’estremità calda e si solidifica sul letto (possibilmente riscaldato) della macchina. Esistono diversi colori del filamento disponibili sul mercato, perciò puoi scegliere quello che più ti piace.

Filamenti PLA di vari colori (che puoi trovare qui) e un oggetto realizzato con tale materiale.

Ecco invece le caratteristiche desiderabili del filamento PLA: deve essere realizzato con materiale di buona qualità; deve lavorare con tutti i tipi di stampanti 3D; deve consentire una buona velocità di stampa, un posizionamento accurato del materiale con un facile raffreddamento. Il filamento viene inserito all’interno dell’estrusore. Quindi, quando il motore passo-passo viene ruotato, in quel momento il filamento entra nell’ugello della cosiddetta “estremità calda” attraverso l’estrusore.