Costruire una stampante 3D – [Parte 4] Assemblaggio e configurazione parte elettronica

Bentornati sulle pagine di informatica37.it per la quarta parte della nostra guida alla costruzione di una stampante 3D di tipo Prusa i3 versione MK2. In questo capitolo, avendo già precedentemente montato la parte meccanica, ci occuperemo del montaggio e cablaggio della componentistica elettronica, ovvero di: alimentatore, piatto riscaldato (heated bed), scheda Arduino e scheda RAMPS, montaggio dei motori stepper e taratura dei driver motore, montaggio finecorsa, sensori e  schermo LCD. Al termine di questa parte sarete in grado di accendere la stampante e assicurarvi che tutto sia stato montato correttamente e che tutto sia funzionante.

A questo punto della realizzazione il manuale ufficiale Prusa non sarà più necessario perché i pezzi che andremo a montare sono diversi dalla i3 MK2 originale, ad esempio il fissaggio di alimentatore e scheda elettronica di controllo andranno adattati al nostro telaio, quindi il manuale ufficiale potrebbe tornarvi utile solo ad avere una indicazione sulla posizione in cui certi componenti sono montati.

Alla luce di questa premessa, le risorse più utili in questa fase sono sicuramente i video di Tom’s 3D:

Altre risorse utili a comprendere meglio alcuni passaggi verranno pubblicate più avanti in relazione a specifiche fasi di realizzazione.

Panoramica sulla scheda di controllo (Arduino MEGA + RAMPS 1.4)

L’elettronica di controllo è costituita da una scheda Arduino MEGA che monta un microcontrollore ATmega2560 ed una scheda chiamata RAMPS 1.4 che gli va montata sopra attraverso l’accoppiamento maschio-femmina dei pin a bordo delle due schede. La scheda Arduino è il “cervello” su cui andrà caricato il firmware (software di controllo), mentre la scheda RAMPS è semplicemente una scheda che permette di avere un cablaggio ottimizzato di tutti i componenti della stampante attraverso i suoi morsetti e pin maschio/femmina a bordo. La RAMPS è quindi una scheda “senza nessuna intelligenza”, la sua utilità principale è quella di ottimizzare e semplificare di molto il collegamento tra i componenti (motori, driver, sensori, ecc.) ed il microcontrollore Arduino, con in aggiunta alcuni componenti elettronici utili alla protezione ed il controllo di alcune parti della della stampante.

I driver mostrati in figura servono a comandare i motori e vanno montati sopra alla RAMPS. Nell’immagine che segue è possibile vedere come dovrebbe essere la RAMPS una volta accoppiata ad Arduino e completa di driver e cablaggi.

Questa prima panoramica sulle schede elettroniche è funzionale solo alla preparazione dei cablaggi delle varie componenti della stampante, vedremo più avanti nel dettaglio come configurare, montare e collegare tutte le componenti elettroniche tra loro.

Sistemazione cablaggi

Una delle operazioni preliminari da fare è sicuramente quella di predisporre tutti cablaggi di motori, estrusore, sensori, finecorsa, ecc., in modo che possano essere montati sulla scheda elettronica di controllo RAMPS. Come si vede nell’immagine precedente, tutti i componenti dovranno essere dotati di connettori femmina di tipo “dupont“, ad eccezione di solo 4 componenti che andranno collegati a dei morsetti e che quindi necessiteranno semplicemente della rimozione dell’isolante esterno:

• Cartuccia riscaldante (hotend heater). E’ il componente di forma cilindrica che è infilato e fissato nel blocchetto riscaldante su cui è avvitato il anche l’ugello (nozzle).
• Ventola raffreddamento pezzo (layer fan). E’ la ventola che favorisce il raffreddamento degli strati ed è montata nella parte frontale del corpo estrusore.
• Piatto riscaldato (heated bed).
• Ventola hotend ed eventuale ventola su elettronica (hotend fan, electronics fan). La ventola hotend è montata al lato del corpo estrusore, è sempre in funzione e serve a creare una separazione termica tra la la parte bassa dove fuoriesce materiale fuso e la parte superiore in cui il materiale plastico viene spinto dentro. La ventilazione sulla scheda RAMPS è consigliabile ma non è obbligatoria.

Tutti gli altri componenti, ad eccezione di quelli appena citati, avranno bisogno di un connettore di tipo “dupont”. Alcuni componenti potrebbero già avere questo tipo di connettore, mentre per altri componenti bisognerà crearseli da soli, è questo il motivo per cui nel capitolo 2 relativo alla lista dei materiali necessari vi consigliavamo di acquistare un kit di connettori per effettuare questi cablaggi. Il kit comprende maschi e femmine con connettori dupont da 1 a più connessioni, nel nostro caso saranno utili sicuramente quelli da 2, da 3 e da 4 pin.

Preparazione del piatto di stampa

Il piatto di stampa impiegato in questa realizzazione ha la particolarità di poter essere riscaldabile (heated bed), il piatto di alluminio ha sulla sua superficie una resistenza che permette il suo riscaldamento ed un foro centrale in cui alloggiare un termistore al fine di poter misurare e quindi regolare la temperatura del piatto. C’è la possibilità di montare un led a bordo per avere anche un feedback visivo durante la fase di riscaldamento e il raggiungimento della temperatura preimpostata. Il piatto potrà essere riscaldato dai 40° ai 100° avendo così la possibilità di migliorare l’adesione delle parti stampate evitando un loro distacco durante la stampa stessa. Il riscaldamento è gestito tramite un transistor (di tipo mosfet) presente sulla scheda RAMPS, questo componente è molto sollecitato durante la fase di riscaldamento del piatto, quindi molto spesso si opta per un mosfet esterno opportunamente raffreddato al fine di proteggere e non danneggiare quello presente sulla RAMPS. In seguito vedremo quali accorgimenti e cablaggi effettuare per evitare questa spiacevole situazione.

Per il corretto cablaggio del piatto potete fare riferimento alla tabella riportata sulla superficie verniciata del piatto (fig. 1), dove si legge facilmente che, in base alla nostra tensione di alimentazione che è di 12V, il pin 1 va collegato al polo positivo ed i pin 2 e pin 3 vanno collegati insieme al polo negativo. L’utilizzo di cavi standard di colore rosso (positivo) e nero (negativo) possono sicuramente aiutare ad evitare errori di connessione. Come potrete notare nelle figure 2 e 3, nel nostro caso abbiamo aggiunto un led di segnalazione che necessita però di una resistenza da 1kΩ. La parte stampata del piatto è quella che ha la resistenza necessaria al riscaldamento e ricopre l’intera superficie, quindi per forza di cose sarà il lato opposto, quello di alluminio al naturale, il piano su cui la stampante dovrà lavorare.

Lo step successivo è quello di inserire il termistore nel foro centrale del piatto inserendolo da sotto, ovvero dalla parte stampata (fig. 4), facendo attenzione che non sporga dal lato opposto su cui poi si muoverà l’ugello di stampa e che non dovrà assolutamente urtarlo! Come anticipato nel capitolo precedente, il termistore è un componente elettronico che permette di misurare la temperatura al fine di poterla poi gestire dalla scheda di controllo. Per tenere fermi i cavi del termistore ci si può aiutare con del nastro kapton, un adesivo che resiste alle alte temperature e che potrebbe tornare utile anche nella fase di stampa come materiale per ricoprire il piatto di stampa.

Prima di montare il piatto riscaldato al carrello dell’asse Y è consigliabile inserire tra le due parti una sorta di schermatura per far si che il calore prodotto dalla resistenza del piatto non venga disperso. Tom’s 3D nel suo video usa un pezzo di cartone, noi abbiamo realizzato qualcosa di più robusto e pulito andando ad inserire uno strato di mdf di un paio di millimetri (figg. 5 e 6). Una volta inserita questa intercapedine tra carrello e piatto riscaldato si può procedere con il montaggio del piatto stesso, orientandolo in maniera che la parte di alluminio sia la faccia superiore ed i fili di alimentazione e del termistore siano collocati nella parte posteriore della stampante (dove c’è il motore ed il finecorsa dell’asse Y).

Per il fissaggio del piatto potete seguire la modalità adottata da Tom’s 3D, nel nostro caso abbiamo avuto bisogno di qualche rondella in più per fare da spessore, avendo deciso di non usare un pezzo di cartone bensì una sottile tavola di mdf.

Nella nostra realizzazione abbiamo creato una svasatura ai 4 fori del piatto riscaldato ed abbiamo usato viti con testa svasata al fine di “nascondere” le teste delle viti nei fori del piatto. Questa soluzione può essere utile se vogliamo evitare che nelle fasi di test, calibrazione o di normale operatività della stampante, che l’ugello o la sonda induttiva non vadano ad urtare le quattro viti di fissaggio del piatto con il rischio di danneggiarsi.

Problema! Il carrello Y urta il telaio!

Come anticipato già nel capitolo 2 (circa a metà dell’articolo) e nel capitolo 3 (montaggio asse Y), se non sono state messe in atto soluzioni alternative al montaggio del carrello Y, ci ritroveremo nella stessa situazione di Tom’s 3D, ovvero quella in cui il carrello Y va ad urtare il telaio a causa dei bulloni delle viti di montaggio del piatto riscaldato (vedi foto seguente). Nella nostra realizzazione abbiamo deciso di usare delle viti a testa svasata inserite nei fori svasati del piatto di stampa, quindi nella parte bassa del carrello abbiamo una sporgenza della vite e del bullone di fissaggio.

Per risolvere il problema si può smussare il telaio andando a creare un canale in cui viti e bulloni possano passare, è sconsigliabile di smussare il carrello per far si che questi possano passare sopra al telaio perché quella parte del carrello è molto delicata e verrebbe resa ancora più fragile andando a renderla più sottile. Il taglio di un pezzettino del telaio in quel punto non è assolutamente dannoso per la struttura, alternativamente si può sempre smontare il carrello e provvedere all’installazione di supporti per cuscinetto stampati in 3D a cui abbiamo menzionato nel capitolo 2. Questa seconda soluzione ridurrà l’altezza disponibile sull’asse Z se pur di una misura irrisoria. Si potrebbe tentare di montare le viti di fissaggio con testa svasata nella parte inferiore del carrello, ma poi vi trovereste con il problema delle viti sporgenti nella parte superiore, molto pericolose per eventuali urti con ugello o sensore induttivo.

Montaggio dell’alimentatore e della scheda di controllo

L’alimentatore e la scheda di controllo (Arduino + RAMPS) andranno montate rispettivamente dietro alle colonne destra e sinistra del telaio, per il momento può essere sufficiente fare una disposizione provvisoria per poi fissare meglio il tutto una volta effettuati tutti i cablaggi. Per il montaggio della scheda elettronica, al momento ci accontenteremo di fissarla al telaio con delle fascette da elettricista mentre fisseremo per bene l’alimentatore all’altra colonna del telaio. Nel nostro caso, per fissare l’alimentatore abbiamo sfruttato delle asole presenti sulla carcassa dell’alimentatore stesso.

Bisognerà fare molta attenzione nella fase di cablaggio dell’alimentatore perché andrà collegato alla rete elettrica domestica a 230v, quindi è bene ricontrollare più volte i collegamenti.

Le applicazioni che prevedono l’uso di tensione alternata di 230v devono essere realizzate da personale qualificato e consapevole dei rischi a cui ci si espone.

L’accesso alla rete elettrica, a dispositivi elettrici e/o elettronici vi espone a tensioni di voltaggio letale per l’essere umano.

Informatica37.it non si assume nessuna responsabilità riguardante danni a persone e/o cose derivanti dall’esecuzione delle istruzioni sotto riportate, ogni vostra azione sarà sotto la vostra totale responsabilità. Il fine di questo articolo è puramente didattico e divulgativo.

Il lato dell’alimentatore con la morsettiera si presenta generalmente come nella figura seguente.

In corrispondenza delle lettere L ed N andranno collegati Fase e Neutro della linea 230V in corrente alternata, riconoscibili rispettivamente con i colori marrone e azzurro, mentre sul seguente morsetto con il simbolo di messa a terra andrà collegato il conduttore giallo-verde. I morsetti contrassegnati con -V e +V non sono altro che i morsetti del secondario con tensione continua a 12V. Il conduttore negativo -V è per convenzione con un cavo di colore nero, mentre quello positivo +V con un cavo rosso. In alcuni alimentatori si potrebbero trovare ulteriori coppie di morsetti -V (massa) e +V (12v) da cui far partire altre linee a 12v o per distribuire meglio i cablaggi. Nell’immagine che segue potete vedere come dovrebbe risultare un alimentatore correttamente collegato alla rete elettrica ed alla linea a 12V. In alcuni alimentatori potreste trovare la dicitura COM come alternativa a V-.

Per realizzare un cablaggio ordinato e sicuro vi potrebbero essere utili dei connettori a forcella da applicare alle terminazioni dei cavi.

Una volta effettuati i collegamenti dovrete regolare la tensione di uscita dell’alimentatore grazie al potenziometro posto in corrispondenza alla etichetta V ADJ sul valore esatto di 12V. Per la taratura dell’alimentatore avrete bisogno di un tester impostato su scala 20V, poi dovrete fissare il puntale rosso su +V, il puntale nero su -V, dopodiché dovrete accendere l’alimentatore e con un cacciavite ruotare di piccoli spostamenti il potenziometro fino ad impostare il valore corretto di 12V.

Per collegare l’alimentatore alla linea elettrica a 230V avete due possibilità:

1. collegare un cavo con spina elettrica,
2. collegare presa femmina con fusibile ed interruttore, da utilizzare con un cavo di alimentazione.

Per realizzare la prima soluzione, più semplice ma meno “robusta”, vi basterà procurarvi un cavo di alimentazione e tagliare l’estremità femmina in modo da poter collegare i tre cavi all’alimentatore come mostrato nella foto precedente. Questa soluzione è sicuramente più spartana ma più economica rispetto al comprare un cavo tripolare ed una presa maschio.

La seconda soluzione è molto più robusta della precedente, nel nostro caso abbiamo utilizzato una presa ad incasso con fusibile di protezione e pulsante di accensione con led incorporato, a cui poi abbiamo collegato un comunissimo cavo di alimentazione per la connessione alla rete elettrica. Questa soluzione ha un costo relativamente basso, è più sicura e ci consente di avere anche un comodissimo pulsante di accensione protetta da fusibile. La presa è stata poi incassata in una scatola di derivazione elettrica da pochi euro.

Il cablaggio della parte posteriore della presa richiede un po’ di attenzione, sopratutto da parte di chi non è “esperto in materia”. Nella figura che segue è rappresentata la parte posteriore della presa ed i relativi cablaggi. Come potete vedere, dietro la “femmina” dove si infila il cavo di alimentazione ci sono 3 lamelle di contatto: quella laterale (a sinistra) è contraddistinta dal simbolo della “terra” e va collegata direttamente al morsetto corrispondente dell’alimentatore (si consiglia di usare un filo di colore giallo verde per evitare errori di collegamento), gli altri due contatti vanno collegati ai due contatti di ingresso dell’interruttore, poi i contatti di uscita dell’interruttore andranno collegati ai morsetti dell’alimentatore relativi alla Fase (L) di colore marrone ed il Neutro (N) di colore azzurro. Il motivo per cui l’interruttore interrompe sia la fase che il neuro è per garantire una maggiore sicurezza (lo abbiamo spiegato nell’articolo relativo alla presa di corrente wireless). Un altro aspetto a cui fare attenzione è quello di capire quali siano effettivamente il connettori di ingresso e di uscita dell’interruttore al fine di ottenere un collegamento corretto del led interno al pulsante di accensione. Nella figura abbiamo evidenziato i due contatti di uscita dell’interruttore, su di essi si può notare un filo saldato, quelli sono i capi del led interno all’interruttore, quindi se vogliamo che la luce sia accesa solo quando l’alimentatore è connesso alla rete a 230v, è importante che quei due contatti a cui è saldato il led siano quelli da collegare all’alimentatore, in questo modo quando l’interruttore è spento il led non sarà alimentato.

Per effettuare questo tipo di connessioni vi potrebbero essere utili dei connettori tipo “faston” che vanno infilati nelle lamelle della presa. Per collegare il cavo al faston basta inserirlo nel gambo dopo averlo spelato e schiacciare tale gambo con forza tramite una pinza.

Preparazione e cablaggio della scheda RAMPS

Una volta preparati tutti i cablaggi possiamo finalmente iniziare con la preparazione della scheda RAMPS ed il collegamento di tutti i componenti.

Nella prima immagine potete vedere com’è composto il kit RAMPS, ovvero dalla scheda elettronica, una morsettiera verde e dei jumper (ponticelli). Nelle due immagini seguenti potete notare come ogni gruppo di pin e morsettiera va collegato ad un componente specifico, inizialmente ci concentreremo sulle parti relative al controllo dei motori, ovvero: asse X, asse Y, asse Z (a cui vanno collegati due motori, per questo motivo ha una doppia piedinatura) e la parte estrusore (extruder 0). Nella seconda immagine sono evidenziati in verde i pin a cui vanno collegati i motori ed in azzurro i pin a cui vanno collegati i jumper, questi ultimi, detti anche ponticelli, non sono nient’altro che degli inserti che permettono di mettere in collegamento due pin della scheda elettronica, a seconda di dove inseriamo il “ponticello” avremo una determinata combinazione di funzionamento. Ogni motore, per essere opportunamente pilotato, avrà necessità di un driver di pilotaggio da montare sui pin femmina presenti in corrispondenza di ogni motore, nella terza immagine è possibile vedere come i driver vanno montati sulla scheda. Si può già intuire che che prima di tutto vanno inseriti i jumper e solo successivamente i driver visto che questi vanno a coprirli una volta montati. Prima di procedere però è necessario soffermarsi su alcuni aspetti teorici per capire cos’è il microstepping e come si configura attraverso la scelta dei driver ed il posizionamento dei jumper.

Motori stepper, driver e microstepping

I motori utilizzati per la costruzione di stampanti 3D sono di tipo passo-passo o motori stepper. Questa tipologia di motori si utilizza nelle applicazioni in cui è necessario muovere l’albero motore di un angolo ben preciso, sono infatti molto utilizzati nelle stampanti ad inchiostro o laser, nei lettori DVD, scanner e tante altre apparecchiature domestiche. Il movimento minimo di questi motori è detto “passo“, e ad ogni passo corrisponde un angolo fisso di spostamento che dipende dalle caratteristiche costruttive del motore. L’angolo step più diffuso per applicazioni di stampanti 3D è da 1,8°. Questo vuol dire che se divido la rotazione completa di 360°  per 1.8°, sarò un in possesso di un motore in grado di fare 200 passi per ogni giro. Esistono per queste applicazioni anche motori con passo di 0.9°, che ovviamente sono più precisi perché un giro completo è composto da 400 passi (360/0.9=400), ma possono fornire una coppia minore rispetto ai motori precedenti. Per approfondire la teoria dietro i motori passo-passo vi invitiamo a .

Spiegato velocemente il principio di funzionamento di un motore stepper, introduciamo il concetto del “microstepping“, ovvero della tecnica di pilotaggio che permette di muovere l’albero del motore di non solo di un passo alla volta, bensì di “frazioni di passo“. Supponiamo di avere un motore con un passo di 1.8°, quindi in grado di fare una rotazione completa con 200 passi, volendo muovere il motore di un passo alla volta, parleremo di un pilotaggio “full-step” che mi permetterebbe di suddividere un giro in 200 passi. Se volessimo pilotarlo di mezzo passo alla volta parleremo di un pilotaggio “half-step” (mezzo passo), quindi un giro completo dell’albero motore verrebbe realizzato in 400 passi.

Riassumendo: con il microstepping posso suddividere il passo in frazioni, in questo caso ho diviso ogni passo in due, quindi ho bisogno del doppio dei passi per effettuare un giro completo (400 anziché 200). Va da se che un motore con passo 1.8° pilotato in “half-step”, equivale ad utilizzare un motore che ha un passo di 0,9° pilotato in “full-step”, in entrambi i casi il giro è composto da 400 step.

Tenendo come riferimento il motore con step da 1,8°, il passo può essere ulteriormente suddiviso in:

• 1/4 di passo – 800 passi/giro
• 1/8 di passo  – 1600 passi/giro
• 1/16 di passo  – 3200 passi/giro
• 1/32 di passo  – 6400 passi/giro
• e oltre…

A questo punto dovrebbe essere abbastanza chiaro che il poter lavorare con 1/32 di passo, suddividendo quindi un giro in 6400 scatti di posizione, mi permette di ottenere una “risoluzione maggiore” rispetto ad un controllo “full-step” che mi consente di fare un giro con solo 200 passi.

Tutto questo però ha delle controindicazioni, infatti aumentando la risoluzione bisognerà rinunciare a della coppia del motore, quindi dovrò trovare un compromesso tra risoluzione ideale e coppia adeguata. In questo articolo (se pur tradotto non perfettamente) troverete alcune notizie interessanti sul tema coppia e microstepping.

Il pilotaggio di un motore in microstepping è possibile grazie ad un “driver“, che nel nostro caso è costituito da una piccola schedina elettronica che va inserita nella scheda RAMPS in corrispondenza di ogni motore. I driver più comunemente utilizzati sono:

• A4988
• DRV8825

Gli A4988 sono driver molto economici, permettono di lavorare fino ad un microstepping massimo di 1/16 di passo e possono sopportare al massimo una corrente di 2A.

I driver DRV8825 sono più costosi, ma permettono di lavorare ad un microstepping di 1/32 di passo e possono sopportare una corrente di picco fino a 2,5A. Questi driver contribuiscono anche a rendere i motori meno rumorosi durante il funzionamento rispetto agli A4988.

Ci sono ovviamente driver di livello superiore, sia come performance che come livello di microstepping ma generalmente sono utilizzati con schede elettroniche di controllo più complesse e performanti rispetto ad un Arduino Mega con scheda RAMPS.

Prima di proseguire con il montaggio e configurazione dei driver, iniziamo con il montaggio dei jumper sulla scheda RAMPS. Nella nostra realizzazione abbiamo deciso di lavorare con il valore massimo di microstepping possibile. Questo perché abbiamo deciso di poter lavorare a 1/16 di passo nel caso volessimo montare dei driver A4988 oppure di lavorare a 1/32 di passo nel caso montassimo dei driver DRV8825. Per lavorare al valore massimo di microstepping possibile bisogna inserire tutti i 3 jumper nei rispettivi connettori di ogni singolo motore (fonte: RepRap), quindi serviranno 12 jumper in totale: 3 per il motore X, 3 per Y, 3 per Z e 3 per il motore dell’estrusore. I jumper per il secondo estrusore non sono ovviamente necessari.

Una volta installati i jumper per il setup del microstepping possiamo finalmente montare i driver, fate molta attenzione al loro orientamento in base anche al tipo di driver che state utilizzando. Tom’s 3D effettua la procedura di montaggio e taratura dei driver dopo aver cablato tutto il resto e dopo aver fatto primo test di accensione dell’alimentatore, se volete seguire questa operazione dovrete spostarvi alla fine del quinto video (esattamente a 1h e 45min).

I driver DRV8825 e A4988 hanno esattamente la stessa piedinatura, ma visti dall’alto presentano ovviamente delle differenze a livello di componentistica elettronica, in particolare il piccolo potenziometro di regolazione è installato nei due modelli in posizione opposta, quindi bisogna fare molta attenzione in fase di montaggio nel seguire la piedinatura dei driver e non basarsi su riferimenti visivi dei componenti elettronici a bordo.

Seguendo la piedinatura dei driver, prendendo quindi come riferimento il pin Vmot in alto a destra, questi dovrebbero essere montati nel modo seguente:

In questo schema la scheda RAMPS è orientata orizzontalmente con la morsettiera di colore verde in basso a sinistra e i driver sono alloggiati nei loro slot tenendo come riferimento il pin Vmot della scheda, ovvero il primo in alto a sinistra di ogni singolo slot. Per avere anche una seconda modalità di verifica abbiamo aggiunto allo schema della RAMPS due driver diversi per mostrarvi anche visivamente come dovrebbero essere montati. Come potrete notare facilmente i driver A4988 hanno il potenziometro di regolazione nella parte destra del driver, mentre i DRV8825 hanno il potenziometro a sinistra, ovviamente in entrambi i casi i loro pin Vmot coincidono con quelli della scheda RAMPS. Nell’immagine che segue vi mostriamo una ulteriore immagine su come i driver devono essere montati, la foto in questo caso ha la scheda RAMPS con la morsettiera a destra quindi è ruotata di 180° rispetto allo schema precedente.

I driver vengono forniti con un loro dissipatore che va montato sul chip a bordo al fine di raffreddarlo. I dissipatori dovrebbero essere già provvisti di biadesivo quindi basta rimuovere la pellicola protettiva ed attaccarli al chip facendo molta attenzione al loro posizionamento! E’ molto importante che i dissipatori non tocchino componenti e pin del driver andando a creare dei cortocircuiti che danneggerebbero il driver o altri componenti a bordo della RAMPS.

 

Il potenziometro a bordo dei driver serve a regolare la Vref, ovvero la tensione di riferimento con cui pilotare i motori, è fondamentale regolarla affinché i motori funzionino correttamente e non rischino “perdita passi” o “surriscaldamento del driver”. E’ preferibile effettuare questa operazione prima di effettuare tutti i cablaggi, banalmente solo per una questione di comodità e di spazio di lavoro sulla scheda, visto che la regolazione richiede l’uso di un tester per andare a misurare la tensione in due punti specifici del driver da regolare opportunamente agendo sul potenziometro a bordo del driver.

Nella nostra realizzazione abbiamo deciso di montare DRV8825 per i motori X e Y e dei driver A4988 per Z ed estrusore (Fonte: RepRap). La scelta dei driver può essere anche “mista” se si vuole evitare di perdere coppia nei motori dove il guadagno di risoluzione non è apprezzabile, la scelta può essere anche soggettiva ed il giusto compromesso può essere trovato attraverso dopo alcune fasi di test.

Regolazione della Vref dei driver motore

Per regolare la Vref è necessario cablare l’alimentazione della scheda RAMPS, ovvero collegare le uscite V+ e V- dell’alimentatore alla morsettiera verde della scheda RAMPS. Prestate molta attenzione alla polarità e se avete ancora dei connettori a forcella è consigliabile utilizzarli per un collegamento più ordinato. Ovviamente l’alimentatore dovrà essere già stato predisposto per il collegamento alla linea elettrica come mostrato in precedenza.

A questo punto saranno necessari 2 strumenti:

• Tester
• Cacciavite ceramico a punta fine

Il tester serve ovviamente per effettuare la misura, il cacciavite ceramico (quindi antistatico) è altamente raccomandato per evitare di danneggiare il driver stesso. Volendo si potrebbe utilizzare un cacciavite tradizionale, la cosa molto importante da fare in questo caso è quella di spegnere l’alimentazione tutte le volte che si inserisce il cacciavite nel potenziometro del driver per effettuare la regolazione, capite bene il vantaggio di utilizzare il cacciavite ceramico “a caldo” ovvero senza bisogno di spegnere l’alimentazione ad ogni singola regolazione.

Questa fase di regolazione della Vref è assolutamente preliminare, calcolata su valori “conservativi” rispetto i valori di targa dei motori e dei driver, quasi sicuramente capiterà di dover tornare a misurarla ed eventualmente innalzarla leggermente nel caso in cui uno dei nostri motori dovesse perdere passi e non funzionare correttamente (il motore dell’estrusore potrebbe essere uno di quelli). Il valore della Vref teorica dipende da due dati fondamentali:

• tipo di driver utilizzato
• corrente nominale del motore

Il calcolo della Vref è in realtà abbastanza complesso, tuttavia per queste applicazioni si utilizza una modalità approssimata che si riduce ad una semplice formula in base al driver in uso:

• Driver A4988
  Vref = Corrente / 2.5
• Driver DRV8825
  Vref = Corrente / 2

Prendiamo ad esempio un motore NEMA 17 con caratteristiche standard,

avendo una corrente nominale di 1,7A e volendo fare una prima regolazione “conservativa” ad un valore di corrente pari al 70%, il valore da considerare sarà il 70%  di della corrente nominale (1,7A), ovvero 1,2A. Premesso questo, i rispettivi valori di Vref saranno:

• Driver A4988
  Vref = 1,2 / 2.5 = 0,48 V
• Driver DRV8825
  Vref = 1,2/ 2 = 0,6 V

Questi sono i valori di Vref da impostare preliminarmente in base al driver che utilizziamo, come già anticipato, successivamente potranno essere aumentati in caso di necessità. C’è una sola eccezione che riguarda il driver dell’asse Z, il quale, dovendo controllare 2 motori, sarà impostato ad una Vref doppia (1,2 V).

A questo punto siamo pronti per la misura della Vref:

1. assicuratevi nuovamente di aver montato i driver correttamente sulla RAMPS
2. collegate la RAMPS ad Arduino
3. accendete l’alimentatore
4. impostate il tester sulla lettura di valori di tensione in corrente continua con un fondo scala di 2V (2000 mV)
5. puntate il puntale rosso sul potenziometro del driver e il puntale nero sul pin GND ed effettuate la lettura
6. Regolate il potenziometro di piccolissimi spostamenti, ruotando in senso orario per aumentare il valore, in senso antiorario per diminuirlo.

Ricordate di spegnere l’alimentatore per non danneggiare il driver nel caso utilizziate un cacciavite tradizionale!

Come potrete notare nelle immagini che seguono, il pin GND dei driver è sempre nella stessa posizione, cambia ovviamente la posizione del potenziometro dove puntare il puntale rosso del tester.

Di seguito un’immagine più dettagliata della operazione di misura con tester su un driver A4988, se invece volete approfondire il tema Vref, in rete sono disponibili molte informazioni scritte e video tutorial.

Collegamento dei motori stepper

Terminata la regolazione della Vref dei driver, possiamo procedere con il cablaggio degli altri componenti, in questa fase potrebbero esservi utili i video di Tom’s 3D che abbiamo pubblicato all’inizio dell’articolo. Per il cablaggio faremo riferimento ad alcuni schemi trovati online, iniziamo con il cablaggio dei 4 motori che compongono la stampante 3D.

Questo schema riassume molto bene i collegamenti dei componenti alla scheda RAMPS, può essere seguito pedissequamente per tutti i componenti ad eccezione dei finecorsa (endstop e Z probe) per i quali vi forniremo informazioni più precise. Vi consigliamo di stampare questo schema per avere sempre sotto mano i cablaggi, sopratutto per verificare il corretto collegamento della polarità.

Tornando ai motori, dallo schema si vede molto bene dove vanno collegati, per il momento non è fondamentale il verso in cui inserirete il connettore sulla scheda perché nella fase successiva di configurazione, quando si testerà il movimento degli assi, potrete invertire il verso del connettore nel caso in cui il motore si muova nel verso opposto a quello impartito dal vostro comando. La cosa importante ovviamente è collegare ogni motore al suo slot corrispondente:

• Il motore dell’asse X muove il corpo estrusore in direzione orizzontale
• Il motore dell’asse Y è quello che muove il piatto di stampa
• I motori dell’asse Z (Z1 e Z2) sono quelli fissati al frame che muovono l’asse X verticalmente
• Il motore E0 è ovviamente quello montato nel corpo estrusore

Collegamento del piatto di stampa, ventola di ventilazione sul pezzo, cartuccia riscaldande dell’estrusore, mosfet piatto di stampa (opzionale)

Dopo aver collegato i motori possiamo passare ai componenti da collegare alle morsettiere D8, D9 e D10.

 

In D8 va collegata l’alimentazione del piatto di stampa, ovviamente facendo attenzione alla giusta polarità, fate sempre riferimento allo schema di cablaggio RAMPS pubblicato in precedenza. Come anticipato nei capitoli precedenti, il transistor (mosfet) che permette la regolazione della temperatura del piatto di stampa presente a bordo della RAMPS è molto delicato perché se non raffreddato adeguatamente rischia di danneggiarsi, nelle seguenti immagini si possono vedere un mosfet danneggiato ed uno con dissipatore.

In realtà la soluzione migliore è quella di adottare un mosfet esterno con un opportuno raffreddamento, il costo della scheda mosfet è irrisorio considerando il vantaggio che se ne trae, sopratutto quando si fanno stampe lunghe in cui un eventuale surriscaldamento del mosfet potrebbe causare un incendio se non si spegne l’alimentazione in tempo utile. La scheda mosfet in questione è la seguente:

Tale scheda è alimentata direttamente a 12V e va ad interporsi tra piatto di stampa e RAMPS secondo lo schema seguente:

Il piatto di stampa va collegato ai morsetti della scheda dedicati, mentre all’ingresso D8 vanno i due cavi di controllo. Anche in questo caso fate molta attenzione alla polarità di tutti i componenti. Il COM dell’alimentatore in figura corrisponde all’uscita V- di cui abbiamo parlato fin’ora, in alcuni alimentatori potrebbe capitare di trovare questa dicitura alternativa a V-.

Procediamo con la morsettiera D9 dove andrà collegata la ventola per la “ventilazione del pezzo” (layer fan). Questa ventola a forma di “chiocciola” è montata sulla parte anteriore dell’estrusore e serve a raffreddare, e quindi solidificare, lo strato di materiale già depositato prima che lo strato successivo gli venga depositato sopra. Questa ventola deve poter essere controllata durante la fase di stampa visto che ogni materiale plastico necessita di comportamenti diversi di questa affinché il materiale stesso possa essere stampato correttamente. Ad esempio il PLA necessita della ventola spenta durante la stampa del primo strato e della ventola accesa negli strati successivi, l’ABS invece ha bisogno che la ventola sia completamente spenta durante tutta la fase stampa. La regolazione della ventola è uno degli aspetti che rientrano nella fase di “slicing“, ovvero la fase di conversione da “modello 3D” a “istruzioni” da impartire alla stampante. Anche in questo caso è fondamentale collegare la ventola con la giusta polarità, altrimenti la ventilazione avrà una direzione opposta a quella necessaria.

E’ ora il turno del morsetto D10 a cui va collegata la cartuccia riscaldante dell’estrusore, è una sonda che serve a riscaldare l’ugello da cui fuoriesce il materiale fuso ed è inserita in un blocchetto metallico chiamato “heat block”. In questo caso non è importante rispettare la polarità.

Collegamento dei termistori

Visto che abbiamo appena menzionato al termistore, ci spostiamo sulla parte della RAMPS opposta alle morsettiere ed andiamo a collegare i due termistori, componenti fondamentali per poter rilevare la temperatura del piatto e dell’estrusore al fine di poterle controllare con il microcontrollore. I due termistori sono rispettivamente quello montato sull’heat block e quello montato nel foro centrale del piatto riscaldato. Per il collegamento alla RAMPS non ci sono polarità da rispettare, l’importante è individuare il relativo connettore a 6 pin ed inserire nei due pin più a sinistra quello dell’estrusore e quello del piatto nei due centrali, lasciando quindi liberi i due pin di destra. L’immagine che segue potrà esservi utile ad individuare i connettori sulla RAMPS e la modalità di connessione dei termistori.

Collegamento dei finecorsa e della sonda induttiva

A questo punto manca solo l’ultima parte di cablaggio, ovvero quella dei finecorsa. I finecorsa servono di fatto a resettare la posizione degli assi, una volta azionato il finecorsa di un asse la macchina avrà un “punto di riferimento”, quindi sarà in grado di muoversi da quella posizione entro certi limiti definiti nel programma che esegue il microcontrollore (firmware).

Nel nostro caso avremo 2 finecorsa meccanici (microswitch) rispettivamente per gli assi X e Y, ed un sensore induttivo che funziona da finecorsa per l’asse Z. Nell’immagine che segue mettiamo a confronto la stampante con una schematizzazione degli assi che la compongono al fine di iniziare a familiarizzare con la posizione dei finecorsa e del concetto di “home”.

 

Tutti gli assi hanno limiti minimi e massimi entro i quali muoversi, tali limiti sono ovviamente 6: Z e Z-, Y e Y-, X ed X-, dove con il segno “-” si intende il minimo mentre quando si omette il segno si intende il limite massimo.

Nella nostra realizzazione i finecorsa coincidono con i limiti minimi degli assi, quindi andranno collegati alla scheda RAMPS in corrispondenza dei valori Z-, Y- e Z-.

I pin relativi ai finecorsa sono nella parte in alto a destra della RAMPS, come si vede nell’immagine sopra, nella prima e terza fila da sinistra, in corrispondenza a X- e Y- si collegano i finecorsa meccanici, mentre la sonda induttiva va collegata in corrispondenza di Z- che è la quinta fila di pin.

In questa immagine dove la scheda RAMPS è praticamente completata (mancano solo i driver dei motori) è possibile vedere la connessione dei finecorsa e della sonda.

I finecorsa meccanici scelti per la realizzazione sono composti da una scheda che contiene un micro switch e un led, quest’ultimo è molto utile per avere un feedback visivo quando il finecorsa viene attivato. Le “schede finecorsa” si collegano alla RAMPS attraverso un connettore dupont a 3 poli, questo perché i micro switch a bordo della scheda possono funzionare in due modalità: normalmente aperto (NO – Normally Open) o normalmente chiuso (NC – Normally Closed). Lo switch NO mantiene il circuito sempre “interrotto”, quando viene colpito “chiude circuito”. Lo switch NC si comporta esattamente nella maniera opposta, tiene sempre il circuito aperto e quando viene azionato lo interrompe. Per far si che i finecorsa meccanici funzionino correttamente bisogna collegarli in maniera che possano funzionare da NC, senza addentrarsi nei tecnicismi, basterà far riferimento al cavo rosso dei finecorsa e collegarli al pin + della terna dei finecorsa sulla RAMPS, di conseguenza avrete il nero collegato a GND ed il cavo verde collegato a S. Nel caso i finecorsa abbiano un cablaggio di colore diverso o vogliate utilizzare dei semplici micro switch anziché delle schede con led, a questo link del forum RepRap il tema finecorsa viene trattato molto approfonditamente.

In alternativa vi forniamo uno screenshot delle informazioni principali.

Nell’immagine che segue abbiamo cercato di rendere più comprensibile il collegamento dei due finecorsa e del sensore induttivo.

Per quanto riguarda il sensore induttivo, il suo collegamento segue il seguente schema colori: il marrone al +, blu al GND e nero a S.

Il sensore induttivo funziona grazie al rilevamento del piatto di stampa, il quale essendo di alluminio, può essere rilevato dalla sonda. Il sensore induttivo è fondamentale anche per un’altra funzionalità, ovvero il livellamento del piatto. Come avrete notato, il piatto di stampa non ha regolazioni per poterlo rendere perfettamente livellato e parallelo al piano orizzontale, questo perché grazie al sensore induttivo, una volta che sarà opportunamente calibrato, sarà possibile fare una taratura della distanza tra sonda e piatto di stampa su più punti del piatto, quindi durante la stampa l’estrusore utilizzerà i dati di questa taratura (bed mesh levelling) per per muoversi su e giù lungo l’asse Z affinché l’ugello di stampa venga mantenuto sempre perfettamente parallelo al piatto di stampa. In questo video potete vedere un esempio di come funziona la taratura del piatto di stampa, potrete notare inoltre come l’asse Z compia piccoli spostamenti durante la fase di stampa di un layer proprio per poter mantenere equidistanti il piatto e l’ugello.

Il sensore induttivo offre grandi vantaggi, l’unico inconveniente è che bisognerà lasciare il piatto di stampa in condizione di essere rilevato, non si potrà ad esempio mettere il comunissimo vetro sul piatto perché questo lo renderebbe non rilevabile dal sensore. Il vetro è utile sia come protezione del piatto ma anche per poterlo utilizzare con lacca e altri adesivi al fine di migliorare l’adesione del pezzo sul piatto stesso. Gli unici materiali utilizzabili per favorire la protezione e l’adesione del pezzo sul piatto che non compromettano il rilevamento da parte del sensore induttivo possono essere i seguenti:

I fogli in PEI vengono venduti in vari spessori, è bene sceglierne uno molto sottile come quello da 0,2mm.

Collegamento componenti opzionali: ventilazione elettronica e display con SD card reader

A questo punto la scheda RAMPS è completamente cablata, mancano solo un paio di elementi opzionali. Il primo elemento opzionale è la ventilazione sulla scheda RAMPS, una soluzione dal costo irrisorio che contribuisce enormemente a salvaguardare la scheda di controllo e al raffreddamento dei driver. E’ consigliabile installare la ventola alla fine di tutta la realizzazione, dopo aver fissato l’elettronica e fatto un minimo di sistemazione dei cablaggi. Per il montaggio della ventola è bene avere qualche staffa metallica reperibile nei negozi di bricolage al fine di poterla posizionare sopra alla scheda RAMPS. Per alimentare la ventola basterà collegarsi direttamente alla linea di alimentazione a 12V affinché questa possa accendersi contestualmente all’accensione della stampante

Nella nostra realizzazione abbiamo utilizzato una ventola di dimensioni 60 x 60 x 25 mm

Il secondo accessorio opzionale che non viene considerato nella realizzazione di Tom’s 3D è il disaplay LCD con lettore di schede SD incorporato. Grazie a questo accessorio sarà possibile poter lanciare la stampa andando a leggere i file GCODE presenti sulla scheda SD e si potrà comandare la stampante senza doverla collegare ad un PC con un cavo USB. Per montare il display bisogna avere ovviamente a disposizione anche le relative plastiche per il montaggio sul telaio dell’asse Y. Il display ha due connettori, uno per display ed uno per il lettore SD che ha a bordo, andrà poi collegato alla RAMPS attraverso un accessorio che viene fornito con l’acquisto del display.

Alla scheda RAMPS possono essere collegati varie tipologie di display con lettore SD, nel nostro caso abbiamo scelto il RepRap LCD Smart Controller proprio perché sono disponibili i file .stl per potersi stampare il supporto compatibile con la struttura della Prusa i3.

Conclusioni

Il cablaggio di tutta la parte elettronica è finalmente giunto al termine, ovviamente vi consigliamo di ricontrollare bene tutti i collegamenti prima di accendere l’alimentazione. Nella realizzazione di Tom’s 3D il primo test di accensione è visibile a 1 ora e 43 min del 5° video, lui effettua questo test con tutti i collegamenti fatti ma senza driver motore montati, li monterà subito dopo. Accendendo l’alimentatore dovreste vedere accendersi i seguenti componenti:

• Ventola estrusore, la quale è sempre in funzione in quanto contribuisce alla separazione termica tra parte fredda e parte calda dell’estrusore.
• Ventola elettronica (se presente).
• Arduino, dovrebbero accendersi i led a bordo del microcontrollore.
• Display LCD
• Sensore induttivo, avvicinandovi con qualcosa di metallico alla punta di colore blu del sensore dovreste vedere spegnersi il led rosso presente nella parte superiore della sonda.
• Finecorsa, andando a “cliccare” sul microswitch si dovrebbe accendere il led rosso presente sulla scheda.

Nel prossimo ed ultimo capitolo ci occuperemo della parte firmware, dei primi test di stampa e degli eventuali upgrade.

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