Robotyka dla początkujących

Budowa własnej drukarki 3D na bazie Arduino to doskonały projekt dla entuzjastów robotyki i elektroniki, pozwalający na pełne zrozumienie mechaniki precyzyjnej, sterowania silnikami i oprogramowania open-source. Najpopularniejsza konfiguracja opiera się na płytce Arduino Mega 2560 z tarczą RAMPS 1.4 oraz sterownikami A4988, co umożliwia sterowanie osiami X, Y, Z i ekstruderem.

Zawartość wpisu: [pokaż]

W tym rozbudowanym artykule omówimy wszystkie etapy – od listy komponentów, przez montaż mechaniczny i elektroniczny, po konfigurację oprogramowania. Projekt inspirowany jest klasycznymi konstrukcjami jak Prusa i3 lub podobnymi, z naciskiem na dostępność części i bezpieczeństwo. Całość możesz zrealizować za około 1000–2000 zł, w zależności od źródeł (np. recykling z napędów CD/DVD w projektach DIY jak e-waste).

1. Potrzebne komponenty – lista zakupowa

Zanim zaczniesz skręcać, zbierz wszystkie części. Poniżej znajdziesz podział na elementy mechaniczne, elektroniczne oraz niezbędne akcesoria:

Części mechaniczne

Do sekcji mechanicznej przygotuj przede wszystkim poniższe elementy:

  • rama – bakelitowa typu Graber i3 lub aluminiowa (gotowa rama ok. 200–300 zł);
  • pręty gładkie – 8 mm średnicy, np. 2x 380 mm, 2x 310 mm dla osi Z i X/Y;
  • pręty gwintowane M10 – 2x 380 mm, 1x 310 mm, 3x 210 mm – do napędów śrubowych;
  • pasy zębate i koła zębate – dla osi X i Y (np. GT2 z 20 zębami);
  • silniki krokowe NEMA 17 – 4–5 szt. (X, Y, Z-dual, ekstruder) – ok. 220 zł za komplet;
  • części wydrukowane lub frezowane – elementy takie jak:
    • mocowanie silnika Y (Y-motor mount) i napinacz Y (Y-idler),
    • napinacz X (X-idler) i wózek X (X-carriage) pod ekstruder,
    • mocowania silników Z (Z-motor mounts) i górne wsporniki (Z-top),
    • korpus ekstrudera i dźwignia docisku (MK8).
  • stolik grzejny – 200×200 mm z aluminium i grzałką (opcjonalnie dla filamentów PLA/ABS);
  • prowadnice liniowe – LM8UU – 12 szt. dla osi X/Y/Z;
  • nakrętki, podkładki, sprężyny naciskowe – M10 – 32 szt., plus sprężyny do poziomowania stołu;
  • extruder MK8 – z radełkiem i dyszą 0.4 mm.

Części elektroniczne

Elektronikę dobierz zgodnie z poniższą listą:

  • Arduino Mega 2560 – oryginał lub kompatybilny klon MKS Mega S V1.1;
  • RAMPS 1.4 – wygodne podłączenie sterowników, grzałek, czujników i krańcówek;
  • sterowniki A4988 (Pololu StepStick) – 4–5 szt.; ustaw mikrokroki na 1/16 za pomocą trzech zworek;
  • zasilacz impulsowy 12 V 30 A – kluczowy dla stabilności i zapasu mocy;
  • grzałka hotendu 40 W + termistor NTC 100k – precyzyczny pomiar i szybkie nagrzewanie;
  • grzałka stołu 24 V 200 W – jeśli używasz stołu grzanego, rozważ osobny MOSFET i odpowiednie okablowanie;
  • czujniki krańcowe – mikrowyłączniki dla osi X/Y/Z do bazowania;
  • wentylatory 12 V – chłodzenie elektroniki oraz wydruku (part cooling).

Narzędzia i akcesoria

Przygotuj podstawowe narzędzia i materiały pomocnicze:

  • śrubokręt, klucze imbusowe, multimetr,
  • przewody DuPont, koszulki termokurczliwe,
  • filament testowy (PLA 1.75 mm),
  • komputer z Arduino IDE.

Wskazówka – kupuj w sprawdzonych sklepach (np. Botland, Allegro). Dla oszczędności wykorzystaj recykling: stare napędy CD/DVD, zasilacze PC i podzespoły z e-waste.

2. Montaż mechaniczny – budowa ramy i osi

Zacznij od ramy, aby zapewnić stabilność. Użyj bakelitowej ramy Graber i3 lub solidnej aluminiowej konstrukcji.

  1. Oś Y (podstawa stołu) – zamocuj silnik NEMA 17 w mocowaniu Y, napnij pasek GT2 przez napinacz Y, dodaj pręty gładkie 8 mm i łożyska LM8UU, a stolik grzejny przykręć na sprężynach do poziomowania.
  2. Oś X (ruch poziomy głowicy) – na górnej ramie zamontuj wózek X z prowadnicami; silnik X napędza pasek przez napinacz X.
  3. Oś Z (unoszenie osi X) – zamontuj dwa silniki Z na mocowaniach, prowadź śruby M10 przez wsporniki Z-top i zastosuj pręty gwintowane 380 mm dla stabilności.
  4. Ekstruder – złóż korpus z radełkiem MK8, hotendem i wentylatorem, a następnie zamocuj całość na wózku X.
  5. Kalibracja mechaniczna – sprawdź luzy, napnij paski (ugięcie 5–7 mm), wyrównaj osie i wypoziomuj stół sprężynami.

Czas montażu – 10–20 godzin. Brakujące części wydrukuj na innej drukarce lub zleć frezowanie.

3. Podłączenie elektroniki – Arduino i sterowniki

Elektronika to serce projektu. Użyj RAMPS 1.4 na Arduino Mega – podłączysz wszystkie moduły w sposób wygodny i bezpieczny.

  1. Instalacja RAMPS – wykonaj poniższe kroki:
    • nałóż RAMPS na Arduino Mega (piny muszą pasować),
    • włóż 4x A4988 do gniazd X, Y, Z, E0; ustaw zworki na 1/16 mikrokroku (3 zworki pod każdym sterownikiem),
    • ustaw prąd Vref sterowników zgodnie z parametrami silników.
  2. Podłączenie silników – kolejność i okablowanie przedstawia tabela:
    Oś Gniazdo na RAMPS Okablowanie silnika NEMA 17
    X X czarny, zielony, czerwony, niebieski
    Y Y jak wyżej
    Z (dual) Z i Z2 dwa silniki równolegle dla podwójnej osi Z
    Ekstruder E0 przewody jak wyżej, dla podawania filamentu
  3. Czujniki i grzałki – podłącz według poniższej listy:
    • krańcówki: do pinów X-, Y-, Z- (endstop),
    • hotend: D10 (grzałka), T0 (termistor),
    • stół: D8 (grzałka), T1 (termistor),
    • wentylatory: D9 (PWM) lub dodatkowe wyjścia.
  4. Zasilanie – 12 V (+) i GND z zasilacza do RAMPS; nie podłączaj USB podczas testów zasilania wysokoprądowego.
  5. Testy – podłącz Arduino przez USB, sprawdź połączenia multimetrem, uruchom Arduino IDE i zainstaluj sterowniki.

Bezpieczeństwo – stosuj bezpieczniki 15 A, izoluj przewody, używaj przewodów o odpowiednim przekroju i unikaj zwarć przy wysokich prądach.

4. Oprogramowanie – firmware Marlin i konfiguracja

Sterowanie przez Arduino wymaga firmware’u takiego jak Marlin (najpopularniejszy dla drukarek 3D).

  1. Instalacja Arduino IDE – pobierz z oficjalnej strony, zainstaluj i podłącz Arduino.
  2. Pobierz Marlin – z GitHuba (wersja 2.x), a następnie edytuj plik Configuration.h:
    • ustaw kroki: #define DEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT {80, 80, 4000, 500} (dostosuj podczas kalibracji),
    • krańcówki i temperatury: #define USE_XMIN_PLUG, a także ustawienia termiczne dla PLA (200°C hotend, 60°C stół),
    • podwójny Z: #define Z_DUAL_STEPPER_DRIVERS.
  3. Kompilacja i wgranie – wybierz płytkę „Arduino Mega 2560” i port USB, a następnie wgraj szkic.
  4. Slicer i G-code – użyj Cura lub PrusaSlicer do generowania G-code z modeli STL; wysyłaj przez USB (Pronterface) lub z karty SD.
  5. Bazowanie i test – w G-code: G28 (home), G1 X10 Y10 Z0.2 F3000 (test ruchu).

Dla hybryd CNC rozważ GRBL z CNC Shield (na Uno), ale dla drukarki 3D Marlin jest najbardziej optymalny.

5. Pierwsze druki i optymalizacja

  1. Kalibracja – wypoziomuj stół (test z kartką papieru: ok. 0.1 mm luz pod dyszą) i ustaw kroki/mm komendą M92.
  2. Testowy druk – model sześcianu XYZ (20 mm); temperatury: 200°C hotend, 60°C stół.
  3. Problemy i rozwiązania – najczęstsze przypadki przedstawia tabela:
    Problem Przyczyna i rozwiązanie
    Gubienie kroków zbyt wysokie prędkości – zmniejsz przyspieszenie w Marlinie
    Nieregularne warstwy niestabilna rama – wzmocnij konstrukcję
    Przegrzewanie niewystarczające chłodzenie – zwiększ przepływ powietrza i wykonaj strojenie PID
    Małe pole robocze niewłaściwe ustawienia w slicerze – ustaw np. 200x200x200 mm

Zaawansowane mody – dodaj auto-leveling (BLTouch), rozważ hybrydę CNC z Dremelem (wymiana ekstrudera) oraz wykorzystaj recykling: rozbierz starą drukarkę na części.