Ramps 1.4: A shield que une Impressão 3D e Arduino

Introdução

Recentemente trouxemos um post falando sobre a CNC Shield e suas aplicações utilizando o GRBL. Hoje falaremos sobre a família de shields Ramps e sua importância no mundo Maker, já que através dela a comunidade pôde desenvolver suas próprias impressoras 3D, o que tornou essa tecnologia mais atrativa e acessível à população.

Um Pouco de História

Antes de te apresentar a shield em si, preciso abordar os motivos pela qual essa placa é amplamente utilizada no mundo e principalmente a sua origem. Tudo começou em meados de 2005, quando a Universidade de Bath, no Reino Unido, propôs a criação de uma impressora 3D capaz de fabricar muitos dos componentes necessários para seus protótipos com um baixo custo de produção. Deu-se início então ao projeto RepRap (abreviação de replicating rapid prototyper), liderado pelo professor sênior de engenharia mecânica Adrian Bowyer. A ideia era fazer uso da manufatura aditiva conhecida como FDM, que em tradução livre significa modelagem por deposição e fusão e consiste na deposição de material fundido em camadas, formando assim o objeto desejado. A primeira impressora 100% desenvolvida através do projeto RepRap foi lançada em 2007 e recebeu o nome Darwin, tendo suas peças fabricadas pelos protótipos criados anteriormente. Nos anos seguintes, a impressora Darwin foi a responsável por fabricar as peças para outras impressoras, que ficaram conhecidas como Mendel e Huxley. Os nomes foram escolhidos em homenagem a biólogos evolucionistas famosos, como símbolo da filosofia do projeto RepRap: replicação e evolução.

RepRap v1.0 (Darwin) - Créditos: all3dp.com

A capacidade de auto-replicação das impressoras RepRap foi o pontapé para a disseminação viral dessas máquinas, o que causou uma grande mudança de paradigmas referentes à projetos e produção de produtos de consumo patenteados pela indústria, dando início à produção pessoal de produtos não patenteados e com especificações abertas.

Todas as peças de plástico da máquina da direita foram produzidas pela máquina da esquerda. Adrian Bowyer (à esquerda) e Vik Olliver (à direita) são membros do projeto RepRap. Créditos: all3dp.com

Além disso, o projeto traz um hardware open source e de baixo custo, sendo ele desenvolvido utilizando o Arduino Mega e componentes compatíveis como base. Isso alavancou sua disseminação e aumentou o número de colaboradores do projeto, auxiliando na evolução do hardware e do software que compunham tais máquinas.

Kit RepRap RAMPS 1.4

Hoje o projeto RepRap atrai entusiastas das mais diversas áreas e continua sendo extremamente acessível, além de contar com uma ampla gama de componentes eletrônicos, peças e softwares de controle, totalmente open source.

Falando do Hardware - Ramps

RAMPS é a abreviatura de RepRap Arduino Mega Polulu Shield e foi desenvolvida com o intuito de compactar o hardware necessário para o controle das impressoras, fazendo uso dos drivers de controle de motor de passo Polulu (A4988/ DRV8825) e ser conectada diretamente ao Arduino Mega, facilitando assim a conexão dos diversos pinos de controle necessários no funcionamento das máquinas. É ela quem faz o gerenciamento energético e das informações enviadas pelo Arduino Mega através dos pinos de contole: Se o Arduino recebe o comando para mover um eixo XYZ da impressora até o limite mínimo, é a RAMPS quem vai acionar o driver do respectivo motor (e consequentemente o motor em si) e também receber o sinal do fim-de-curso, informando que o motor chegou ao limite do seu movimento.

Características

- 3 saídas PWM chaveadas por MOSFET - Controle de Mesa aquecida (Heated bed) com fusível de 11A - 3 circuitos de termistores - 5  Slots para Controlador de motor de passo - 6 conjuntos de pinos digitais para Swith fim de curso - Utiliza Conectores terminais em bloco com parafuso para conexão de energia - Fúsivel de 5A para segurança adicional e proteção - Pinos extras: PWM, digital, serial, SPI, I2C e analógico - Conexão para servos

Conexões

Conexões da RAMPS. Créditos: Geeetech

Na imagem acima temos representadas as principais conexões da shield RAMPS. Vamos explorá-las: Slots para drivers de motor: A shield conta com 5 slots para a conexão de drivers da família Polulu (A4988/DRV8825), permitindo a conexão de até 6 motores (sendo até 2 em um mesmo drive para o eixo Z). Isso nos permite configurar recursos avançados na impressora, como o dual extruder (dois extrusores, permitindo a impressão colorida) ou configurações específicas de auto-nivelamento, como nivelamento do eixo X. As configurações de micropasso variam de acordo com o driver selecionado. Terminais Block para 3 aquecedores: Nesses terminais são conectadas as resistências da impressora, como hotend (D8) e mesa aquecida (D10). A RAMPS permite ainda o uso opcional de mais um hotend (para extrusão dupla), fan para resfriamento do filamento ou até mesmo um módulo laser, para aqueles que a utilizam como CNC, na conexão D9. Para que o funcionamento seja adequado, a configuração desejada deve ser informada no firmware a ser carregado no Arduino, sendo o padrão EFB (extrusora (D8), Fan (D9) e mesa aquecida (D10)). Conexões para 3 termistores: Termistores são os sensores de temperatura da nossa impressora. São eles os responsáveis por informar ao Arduino os dados do aquecimento da mesa e do hotend. Novamente na RAMPS temos 3 conexões para termistores, possibilitando assim a conexão de 3 resistências (2 hotends e 1 mesa aquecida, por exemplo). Conexões para fim-de-curso: A RAMPS conta com conexões para 6 fins-de-curso, sendo máximo e mínimo para cada um dos 3 eixos. Geralmente são utilizados apenas nos limites mínimos, já que podemos definir o máximo via software. A shield nos permite utilizar sensores mecânicos ou ópticos. Suporte para LCD e cartão de memória: Temos também um suporte nativo para LCD, seja ele 20x4 ou 128x64, e cartão de memória, o que nos permite utilizar a impressora mesmo estando longe de um computador. Terminais de alimentação: A shield conta com terminais de alimentação de 11A e 5A para os circuitos de aquecimento e motor, ambos em 12V. Devem ser conectados a uma fonte com capacidade de pelo menos 20A, para que haja o correto funcionamento dos componentes. Outras conexões: A Ramps traz algumas conexões auxiliares que podem ser úteis de acordo com seu projeto. Nela podemos conectar servos (muito utilizados em impressoras com nivelamento automático), fans auxiliares, leds e até mesmo fazer uso da conexão SPI/ I2C.

Evoluções

Como dito anteriormente, a RAMPS foi desenvolvida no projeto RepRap visando a praticidade nas conexões necessárias para o funcionamento das impressoras 3D. Isso fez com que ela sofresse diversas alterações ao longo do tempo até chegar ao resultados que encontramos no mercado hoje em dia:Evoluções mais recentes da shield RAMPS. Créditos: all3dp.com

Esses são os modelos mais difundidos no mercado. Note que a maior diferença da versão 1.4 para a 1.5 se dá na mudança dos MOSFETs PTH para SMD, além da ausência dos fusistores - componentes que atuam como fusíveis, variando sua resistência conforme a passagem de corrente até atingir o ponto de disparo, onde essa resistência limita a passagem da corrente, protegendo circuitos mais sensíveis - o que resolveu alguns problemas recorrentes de aquecimento em algumas mesas. Já da versão 1.5 para 1.6 as mudanças foram mais sutis: foi adicionado um dissipador de calor de alumínio para os MOSFETs e a inserção de um conector mais robusto no terminal D10, onde está a saída de 11A. Ademais, todas as demais conexões permaneceram as mesmas.

Marlin - O Firmware

Assim como a RAMPS une o cérebro e os músculos da impressora 3D, é necessário que o Arduino execute um firmware* para fazer o controle de suas conexões durante o funcionamento da máquinas. Os dois firmwares mais utilizados hoje são o Marlin e o Repetier Host, sendo o primeiro open source e largamente utilizado nas impressoras 3D FDM de baixo custo. O Marlin foi desenvolvido em 2011 graças ao crescimento do projeto RepRap e conta com comandos em G-Code e atualizações periódicas, sempre trazendo novas funcionalidades e até mesmo automatizações para as impressoras que o utilizam. Foi escrito com o intuito de fazer todo o gerenciamento necessário à RAMPS usando o Arduino Mega, apesar de hoje oferecer suporte à controladoras de 32 bits que possuem recursos e microcontroladores mais avançados que a RAMPS.

Ambiente de programação do Marlin - VS Code + PlatformIO

Sua programação/ configuração é relativamente fácil. Se você reparar na imagem abaixo, perceberá que as configurações são habilitadas ou desabilitadas, sendo necessário apenas comentar (//) ou descomentar a linha desejada, mas é preciso lembrar que, apesar da fácil configuração, é necessário que você tenha um conhecimento básico sobre o funcionamento lógico-mecânico de uma impressora 3D afim de ajustar os parâmetros para o correto funcionamento da máquina.

Exemplo de configurações ativadas (em azul) e desativadas (em verde).

*Firmware: conjunto de instruções operacionais que são programadas diretamente no hardware.

Conclusão

Modelo de impressora 3D RepRap construída por mim, controlada por uma RAMPS 1.4

A RAMPS é uma controladora de baixo custo e perfeita para sua impressora 3D. Aliado ao Arduino Mega, apresenta um hardware de controle básico, porém extremamente flexível e preciso, oferecendo também uma ótima plataforma de desenvolvimento para novas funcionalidades a um custo muito acessível, sendo uma das melhores opções para quem quer montar sua própria impressora 3D sem gastar muito. Esperamos que esse post tenha sido de grande valia para seu aprendizado na área. Um abraço e até a próxima! A Eletrogate possui a eletrônica completa para que você construa sua máquina. Para conhecer nossos produtos, clique aqui.

Referências

https://all3dp.com/history-of-the-reprap-project/ https://all3dp.com/2/ramps-1-4-review-the-specs-of-this-controller-board/ http://www.geeetech.com/wiki/index.php/Ramps1.4 http://marlinfw.org/

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Sobre o Autor

Samuel Martins @samuel.martins192 Cursando Eletroeletrônica no SENAI CETEL. Fanático por eletrônica, automação, impressão 3D e afins, dedico meu tempo livre a pesquisas e projetos ligados às principais áreas de interesse, pratico aeromodelismo e sou curioso por astrofotografia.