Derek Schulte: Planejamento de caminho para impressoras 3D

Jun 21, 2023

[Derek Schulte] projetou e vende uma impressora 3D de consumo, e isso lhe dá muitas informações sobre o que os faz funcionar. A impressora dele, o New Matter MOD-t, é diferente da impressora 3D que você está usando agora de algumas maneiras diferentes. O mais interessante é que ele usa feedback de loop fechado e motores DC em vez de steppers, e usa um processador ARM de 32 bits bastante robusto em vez do glorificado Arduino Uno que está executando muitas impressoras por aí.

A primeira dessas escolhas significava que [Derek] tinha que escrever seu próprio software de controle motor e planejamento de caminho, e a segunda significa que ele tinha o processamento para apoiá-lo. Em sua palestra, ele entra em detalhes reais sobre como eles acabaram com o sistema de planejamento de caminhos que fizeram e exatamente como ele funciona. Se você já pensou muito sobre como um cabeçote de impressão físico, com impulso, faz as curvas infinitamente nítidas que estão sendo ditas no código G, esta palestra é para você. (Spoiler: não quebra as leis da física e navegar pela curva envolve matemática.)

O planejamento do caminho ocorre dentro da própria impressora 3D. É o que o firmware da impressora 3D faz com o código G recebido que o transforma no movimento físico dos motores ao longo dos eixos X, Y e Z, bem como da extrusora. Embora o código G seja universal, também não é realista: ele especifica uma série de pontos no espaço 4D (a extrusora, lembra?) e as velocidades necessárias para chegar lá. O planejamento de caminho combina o conhecimento das habilidades de controle de movimento da impressora física e tenta fazer com que o resultado final corresponda ao código G tanto quanto razoavelmente possível, sem demorar muito. Sendo a interface entre o código G idealizado e uma impressora real, o firmware de planejamento precisa levar em consideração o design da própria impressora, com todas as suas limitações físicas.

Você pode fazer sua própria impressora 3D única de unobtainium, escamas de dragão e o trabalho não faturado de um ano de fins de semana. Mas se você quiser fazer um produto para vender ao público em geral a um preço razoável, ele deve ser construído com peças comuns e funcionar de forma robusta. Foi isso que levou [Derek] a usar um motor DC com um codificador em vez dos onipresentes, pesados ​​e relativamente caros motores de passo que a maioria das outras impressoras 3D usa. Acionar motores DC em feedback de circuito aberto significava que nenhum dos firmwares de impressora "padrão" funcionaria - ele precisava criar o seu próprio. E é assim que temos essa conversa, sobre ir de A a C, virar a esquina em B, da forma mais rápida e precisa possível.

Existem algumas maneiras de transformar um código G que diz "vá para o norte a 50 mm/seg e depois vá para o oeste a 50 mm/seg" em movimento da máquina. Uma delas é ir para o norte a toda velocidade, parar bruscamente e depois dar um solavanco para o oeste a toda velocidade. Isso é o que as primeiras versões do firmware da impressora DIY 3D faziam - e o resultado era ruído, vibração do cabeçote de impressão e degradação na qualidade de impressão. Estes foram tempos feios.

[Derek], e o planejador de caminho em grbl, escolheram a próxima solução mais complicada — movendo-se em aceleração constante para cada segmento do caminho, resultando em perfis de velocidade trapezoidais. Isso acaba funcionando decentemente bem na prática e é fácil de calcular. [Derek] adicionou arredondamento de canto à rotina: onde o código G disse para fazer um canto agudo, o firmware pegaria um canto curvo que está próximo o suficiente para não parecer ruim, mas também não requer que o bocal diminua a velocidade para uma parada. Combinar os dois é basicamente a solução mais simples que pode funcionar bem.

Conectar alguns segmentos juntos é a próxima etapa, mas permite que a impressora eventualmente pare, seja no final do caminho ou porque um usuário pressionou o botão de pausa.

A maioria das impressoras 3D acionadas por passo opera no modo de controle de loop aberto. O firmware diz ao driver do motor de passo para dar dez passos à frente e esperar o melhor. Quando uma impressora perde etapas, as camadas ficam desalinhadas umas das outras e, se isso aconteceu catastroficamente no meio de uma impressão, você sabe por que isso pode ser ruim.