DESENVOLVIMENTO DE UMA IMPRESSORA 3D BASEADO EM HARDWARE LIVRE

Guilherme Lima Barbarioli [Voluntário], Wagner Teixeira da Costa [Orientador]

Coordenadoria de Automação IndustrialCampus Serra

Instituto Federal do Espírito Santo - Ifes

barbarioli1@gmail.com, wagnercosta@ifes.edu.br

Resumo - Neste trabalho objetivou-se construir e dispor em funcionamento uma impressora 3D RepRap(REPlicating RApid Prototyper) para que fosse possível a execução da segunda parte do projeto de pesquisa. Este envolveu o desenvolvimento e criação de um projeto de robótica didático especialmente concebido para ser impresso em uma impressora 3D. O projeto desenvolvido compreende em um braço robótico utilizando basicamente micro servos de baixo custo, peças provenientes da impressora 3D e uma plataforma de prototipagem eletrônica aberta Arduino.

Palavras-chave RepRap, Robótica, Didático.

Abstract - This work was meant to construct a put to service a RepRap3D(REPlicating RApid Prototyper) in order to execute the second part of the research project, design and build a educational low-cost robotic. This robot was basically designed to be completely printed on a low cost 3D printer. Its construction was accomplished using the 3d printed parts, low-cost micro-servos and also a open-source electronic platform, Arduino.

Key-words: RepRap, Robotic, Educational.

INTRODUÇÃO

No meio acadêmico, é comum nas atividades práticas o uso de módulos didáticos, em conjunto com o uso de plataformas abertas (open-source), no desenvolvimento de protótipos ou no processo de aprendizagem. Os sistemas open-source são projetos feitos normalmente por estudantes e pesquisadores de universidades, que são disponibilizados ao público. São livres de qualquer direito econômico, podendo ser reproduzido e comercializado livremente. Logo, torna-se muito atraente para pesquisadores e alunos usarem este tipo de projeto em suas atividades, tornando-os livres de qualquer instituição ou deveres legais, além de ser relativamente barato de produzir.

Os métodos e kits didáticos, por excelência, são focados nas atividades de aprendizado acadêmico ou escolar. Estes encurtam o tempo de preparo de atividades, facilitam a visualização, e por consequência permitem que um maior tempo seja gasto na aprendizagem ou no desenvolvimento e adequação de projetos, que é o foco deste trabalho. No que diz respeito a kits didáticos de robótica, o Brasil apresenta-se defasado em relação ao desenvolvimento e produção comparado aos níveis mundiais. Os kits brasileiros são escassos, de baixo investimento, e qualidade inferior aos kits importados. Os kits importados normalmente são caros, difíceis de serem licitados por instituições públicas e de difícil acesso econômico a pessoas físicas.

Assim, surge a necessidade de uma nova alternativa, ou seja, produção de kits didáticos de baixo custo e de fácil fabricação. O desenvolvimento do trabalho teve como objetivo a criação de novos kits didáticos para introdução na aprendizagem de robótica. Este desenvolvimento, primeiramente, visa a criação e produção das partes físicas, produzidas para serem compatíveis com sistemas open-source de prototipagem eletrônica (Ex.: Arduino).

Para viabilizar o trabalho, foi utilizado na produção e prototipagem deste kit, uma impressora de prototipagem rápida open-source auto-replicável (RepRap). A montagem desta impressora foi a primeira etapa do desenvolvimento deste projeto com atividades desde o estudo dos procedimentos, compra de insumos, peças e componentes, montagem e testes de impressão.Esta impressora tem a capacidade de imprimir qualquer modelo 3D desenvolvido em computador produzindo peças físicas de plásticos, totalmente funcionais, respeitando certos limites dimensionais, resolução de impressão e resistência mecânica.

METODOLOGIA

Para a realização do projeto foi executado dois processo gerais: construção da maquina de prototipagem rápida e desenvolvimento de um braço robótico completamente impresso.

Na primeira etapa foi realizada uma extensa pesquisa sobre projetos viáveis de construção de uma maquina de prototipagem rápida (comumente nomeado impressora 3D). Foi escolhido no fim desta pesquisa, analisando todos os projetos e sugestões no website que hospeda os projetos abertos de impressoras 3D, RepRap¹, o modelo que mais se adaptava as exigências mínimas para produção de protótipos didáticos, a REPRAP Prusa Mendel².A compra das peças e insumos foi feita baseada principalmente na documentação contida no website, juntamente com dicas e sugestões em blogs diversos na internet. O custeio foi realizado pelo próprio estudante de iniciação cientifica e os gastos gerais com o projeto compreende-se a importância entre R$1200,00 a R$1500,00. Após a compra das peças foi necessário a espera de 3 meses para que todas as peças estivesse em mãos para inicio de montagem. A montagem da impressora 3D foi realizada logo com a chegada das peças e concluída em um mês. Após os primeiros testes com a impressora foi gasto um total de 3 meses no processo de regulagem e refinamento da maquina.Concluído o processo de construção e refinamento da impressora iniciou-se a segunda etapa do projeto, construção de um robô didático. Primeiramente foi realizada uma pesquisa sobre projetos e modelos existentes. Durante a pesquisa sobre robôs disponíveis atualmente, para compra direta ou projetos abertos, foram encontradas diversas opções que satisfazem varias áreas do ensino didático e profissional. No âmbito dos projetos fechados e disponíveis no mercado estes eram, como esperado, úteis didáticos e com uma razoável flexibilidade, todavia estes se apresentavam de alto custo. Obtido a confirmação sobre o alto custo de projetos fechados foi realizada a pesquisa sobre robôs plataformas abertas disponíveis na web. Descobriu-se que havia vários projetos que englobavam todo tipo de robô locomotivo. Eram robôs duas rodas, quatro rodas, robô esteira, robores bípedes, quadrupedes e solípedes, todos encontrados no website thingverse3.

________________________1 http://www.reprap.org/2 http://reprap.org/wiki/Prusa_Mendel3 http://www.thingiverse.com/

Porém foram encontrados somente quatro braços robóticos. Três destes utilizavam somente servo motores padrões que usualmente são de custo elevado. O outro projeto utilizava micro servos que possuem um custo muito menor4.

Este último projeto apresentou-se como o mais atraente a mudanças e foi escolhido para ser usado como base. Apesar do excelente trabalho realizado pelo projetista Ben-Tommy Eriksen5, este projeto possui algumas falhas estruturais criticas que termina por dificultar a impressão do projeto e da mesma maneira acarreta baixa resistência mecânica.

Este braço robótico foi minuciosamente estudado e foram feitos todas observações necessária para que fossem feitas melhores modificações no projeto original.Vale destacar que isto somente foi possível devido liberdade que o autor do projeto original forneceu aos outros projetistas que desejassem modificar e copiar partes de seu projeto. Após a modificação de partes pontuais do projeto, este foi impresso e testado enviando comandos para que o mesmo se movimentasse. Após isto o projeto foi documentado e disponibilizado, no website6 para divulgação do conhecimento.

RESULTADOS

No desenvolvimento de construção da impressora 3D foram encontrados alguns pontos interessantes sobre montagem e processo de impressão que antes não estavam documentados. O resfriamento da peças durante a impressão é uma fator crucial para o a qualidade final da peça a ser impressa. Alguns construtores utilizam uma pequena ventoinha acoplada a cabeça de impressão de acordo com a Figura 1. Apesar das tentativas de utilizar este mesmo método de resfriamento, observou-se que estes não eram eficientes o bastante para manter a precisão de impressão em níveis satisfatórios. Em contrapartida foram utilizadas duas ventoinhas 20X20cm, cada uma posicionada em lados opostos da mesa de impressão de acordo com a figura 2.

Figura 1. Ventoinha acoplada Figura 2. Ventoinha paralelo a mesa

Fonte: http://www.thingiverse.com/image:113170________________________4 http://www.thingiverse.com/thing:34829 5 http://www.linkedin.com/in/bentommy

Outra técnica utilizada de somente ligar as ventoinhas após terminada a terceira, para evitar distorções nas primeiras camadas e descolamento das peças durante o processo de impressão, proporcionou que as peças fosse impressas com a maior resolução possível para aquela impressora. Adicionalmente foi encontrado em pesquisas em blogs que aplicar uma camada de fixador de cabelos na superfície mantem as peças impressas unidas a mesa de impressão por todo o processo e evita da mesma forma distorções na peça por eventuais resfriamentos repentinos.

Foi também observado que a dureza do filamento plástico utilizado influencia muito na velocidade de impressão. Caso o trator do extrusor não seja bem usinado, como é o deste projeto, este pode desgastar o plástico no processo de tração e ejeção do plástico pelo bico de impressão. Neste desgaste o plástico consequentemente não irá ser pressionado com força suficiente no bico para ser derretido e ejetado no bico extrusor. O fato observado foi que a quanto menos duro é o plástico, menor a velocidade de impressão pois o plástico deve ser pressionado com força menor no bico de impressão.

Para aquecimento da mesa de aquecimento é utilizado no projeto original um mosfet de potencia ligado em 12 Volts. Segundo o website reprap, este mosfet pode ser operado sem a necessidade do uso de dissipador de calor. Entretanto quando o este mosfet foi utilizado de acordo com o previamente proposto, este se aqueceu ao ponto de curto circuita-se. Imediatamente este mosfet foi substituído e um dissipador reciclado de uma peça de computador foi instalado neste mosfet como mostra a figura 3.

Figura 3. Dissipador reciclado para o mosfet superaquecido

No projeto de melhoria do braço robótico de Eriksen foram observados vários pontos importantes que poderiam trazer substanciais aperfeiçoamentos para o projeto original, dentre eles estão:

As paredes estruturais do braço robótico eram demasiadamente finas, entre 1 a 2 mm não oferecendo boa resistência mecânica, e dificultando o processo de impressão.

A base giratória não oferecia uma estrutura estável e resistente o suficiente para suportar todo o braço robótico sem vibração.

O projeto original não possui um eixo giratório para a garra.

A garra primeiramente projetada foi desenhada para ser impressa em uma impressora de alta resolução, esta possuía cremalheiras e pinhões de dimensões muito reduzidas que ultrapassavam o limite de precisão da RepRap montada para o projeto. Abaixo há uma sequencia de fotos e desenhos que demostram a diferença entre os dois projetos.

Figura 2 – Visão geral braço robotico Figura 3- Projeto original

Figura 4 – Base Figura 5- Base projeto original

Figura 6 – Segundo eixo Figura 7 – Segundo eixo projeto original

Figura 8 – Garra estilo paquímetro Figura 9 – Garra projeto original

Para montagem e construção do projeto descrito foram usados:

Filamento de plástico para alimentar a impressora 3D enquanto imprimia as peças. Arduino uno. Protoboard e pequenos fios para ligação dos servos Fonte de doze volts (reciclagem de uma fonte de computador) Seis micro servos e um servo padrão.

Após a montagem e aperfeiçoamento da estrutura do braço robótico foram enviados alguns comandos para o robô via comunicação serial com arduino. Este funcionou como esperado e obtiveram-se resultados satisfatórios.

DISCUSSÃO E CONCLUSÕES

O projeto de pesquisa pode ser considerado realizado com êxito, pois atingiu dois dos principais pontos, construção de uma impressora 3D e um robô construído utilizando esta maquina de prototipagem rápida. Todavia o projeto falhou relativamente na instancia que engloba robôs didáticos, pois apesar do robô ser didaticamente fácil de ser construído não foi desenvolvido uma ferramenta didaticamente fácil para interface do robô com o usuário, pois não houve tempo suficiente para isto. Entretanto isto está sendo desenvolvido e será publicado brevemente no website http://www.3draft.wordpress.com.

Devido a dificuldades de licitação e demora na compra de peças, todo o projeto foi financiado pelo aluno de iniciação cientifica e os gastos detalhados estão, da mesma forma, disponíveis no website anteriormente mencionado.

AGRADECIMENTOS

Agradecimentos ao IFES-Serra que apoiou o projeto, aos colegas Gustavo Mendes Campana e Gustavo Retuci Pinheiro que colaboraram na realização da última etapa do projeto braço robótico.

REFERÊNCIAS

[1] BRADSHAW, Simon; BOWYER, Adrian; HAUFE, Patrick. The intellectual property implications of low-cost 3d printing. University of Bath. Reino Unido, 2010. Disponível em: <http://opus.bath.ac.uk/18661/2/bradshaw.pdf>. Acesso em: 22 jul. 2013.

[2] ILLESCAS, Marco E. Construcción de una impresora 3D Open Source, TCC(Engenheira industrial e eletrônica ) – Departamento de Sistemas e automação, Universidade Carlos III de Madri. Madri, 2012. Disponível em: <http://alvarestech.com/temp/PrototipagemRapida/3DdissertacaoEspanha.pdf>. Acesso em: 22 jul. 2013.

[3] ROXAS, Mark; JU, Stephen. Fluid Dynamics Analysis of Desktop-based Fused Deposition Modeling Rapid Prototyping. TCC(Ciências aplicadas) – Departmento de engenharia mecânica e industrial, Universidade de Toronto. Toronto, 2008. Disponível em: <http://alvarestech.com/temp/PrototipagemRapida/AnaliseExtrusoraFDM.pdf>. Acesso em: 22 jul. 2013.

[4] J. GONZALEZ-Gomez.et al. A New Open Source 3D-Printable Mobile Robotic Platform for Education, Disponível em: <http://link.springer.com/content/pdf/10.1007%2F978-3-642-27482-4_8.pdf>. Acesso em: 22 jul. 2013.