RepRapy i elektronika – co było, co jest i co będzie…?

Nazywam się Arkadiusz Śpiewak, szerzej niestety znany jako Wulfnor. Od kilku lat interesuję się RepRapami, a szczególnie nietypowymi konstrukcjami drukarek 3D oraz elektroniką w nich stosowaną.

O tym dziś napiszę – o elektronice, o tym jak to wyglądało kiedyś, jak wygląda dziś i o tym jak być może wyglądać będzie kiedyś…?

A na początku były… moduły

I kable. Dużo kabli. Pierwsze elektroniki RepRapowe takie jak Gen 1 i Gen 2 składały się z całej masy modułów. Każdy sterownik silnika krokowego znajdował się na osobnej płytce, sterownik ekstrudera DC, moduł termopary itp. Nikt wtedy nie słyszał jeszcze o modułach Pololu. Podłączenie tego wymagało nieco wiedzy. Jedynym znanym i wspólnym elementem było Arduino, lub Sanguino.

Taki stan rzeczy był obecny dość długo. Ciekawostką, która dzisiaj sprawia, że kręci się łezka w oku, to to, że elektroniki GEN 2, GEN 3 itp. są oficjalnymi elektronikami MakerBota.

Elektroniki te nie wspierały natywnie mikrokroku. Soft nie miał czegoś takiego jak przyspieszenie. Kiedyś RepRapowcy drukowali w rytm czegoś co Pawłowi na pewno by się spodobało. Było głośno, brutalnie. Żadnego delikatnego hamowania, żadnych wysokich tonów.

I stała się jedność

Następna wielka zmiana było GEN 6, czyli elektronika monolityczna – koniec z modułami i kabelkami. Wszystko od tamtego czasu było na jednym pcb. Jako drivery silników użyto drv8811 od Texas instruments. I pojawia się tutaj pewna tendencja obecna w RepRapach od zawsze – ze względu na to, że projekt jest całkowicie zdecentralizowany pomysły pojawiają się i znikają. Co rusz jakiś nowicjusz wpada na nowy genialny pomysł, który przed nim wymyślono już duuużo razy.

GEN 6 i GEN 7 były bardzo podobne, ale GEN 7 było zaprojektowane jako elektronika, którą dało się wydrukować na Mendlu… tzn. wyfrezować.

Była to też ostatnia elektronika używająca tej konwencji nazw. Wszystko potem to już wolna amerykanka. W GEN7 też po razy pierwszy powszechnie zastosowano drivery pololu.

RAMPS i Sangui…blah blah

Czyli to co jest chyba po dziś dzień najpopularniejsze. Nakładki na Arduino lub zmutowany klon Arduino z guzem w postaci driverów pololu. Sanguinololu było pierwszą elektroniką RepRapową, którą poskładałem. Wcześniej robiłem podejscie do GEN7, ale sang było takie nowoczesne, że musiałem je mieć. Ciepło wspominam te czasy, mosfet od hotbeda pozbawił mnie odcisków palców. Wtyczki wyparowały, a ja miałem zapas tranzystorów na wszelki wypadek. Kontrukcja była rodem z piekła. Duży kondensator elektrolityczny zaraz koło IRFZ44N rozgrzanego do granic możliwości. Nikt wtedy nie myślal o stosowaniu 24V, o dodawaniu driverów do bram mosfetów. Wszystko mógł polutować każdy, kto wiedział, że lutownice trzyma się za to zimne. Królował wtedy Sprinter. Marlin był nowością, czymś co budziło wiele kontrowersji. Pamiętam te rozmowy na stronach i IRC… Gładkie łuki były czymś o czym nikt wcześniej nie słyszał i nie wierzył.

RAMPS był lepiej przemyślaną konstrukcją, a raczej shieldem do Arduino mega. Był lepiej przemyślany, łatwiejszy do skompletowania i niby tańszy jeśli ktoś już miał Arduino. Wadą tych elektronik był całkowity brak jakichkolwiek peryferiów. Były silniki, termistory i grzałki. Żadnych paneli czy kart. Dopiero z czasem zaczeły pojawiać się dodatki typu moduł do kart SD czy wyświetlacze alfanumeryczne. Ale w Sanguinololu brakowało pamięci aby móc obsługiwać i karty SD i LCD.

Papa FT232

Następnym krokiem były elektroniki typu Teensylu, Printrboard czy też Sunbeam. Wszystkie opierały się o mikroklocek AT90USB1287. To co było inne to brak FT232RL czyli konwertera USB-SERIAL. Środek mikrokontrolera był dalej ten sam, dalej 8 bitowy rdzeń AVR taktowany 16Mhz. Firmwarem był głównie Marlin, później pojawił się Repetier.

Teensylu bazowało na Sanguinololu. Podobny layout, podobne wyjścia. 4 drivery.

Sunbeam był – jakby to ująć, rozwinięciem Teensylu. Moja pierwsza konstrukcja, z tego co mi wiadomo pierwsza dedykowana elektronika do drukarek 3D w Polsce. Starałem się poprawić layout, uniknąć problemów związanych ze spalonymi wtyczkami, przegrzewającymi się tranzystorami czy ścieżkami. Dodałem złącze katy micro SD. Dla mnie i w tamtych czasach było to coś naprawdę fajnego. Wtedy pomyślałem, że w sumie to coś co lubię robić.

Stworzyłem w sumie 3 wersje Sunbeama. Najpopularniejsza była rewizja B. Rewizja C zawierała jak dla mnie dośc ważne zmiany. W końcu powoli przeszliśmy na zasilanie 24V. W mojej głowie ma to same plusy. Mniejsze przekroje kabli, mniejsze prądy, mniejsze spadki napięcia i mniej wydzielanego ciepła. Wadą jest to, że wszystkie hotbedy i rezystory w hotendach przystosowane są do 12V. Kolejna wada to potrzeba kupienia zasilacza 24V. Starego poczciwego ATX miał każdy, a z 24V i przynajmniej 15A zasilaczem już tak różowo nie było. Koszty drukarki wzrastały, przestawała być czymś co można poskładać z tego co ma się pod ręką.

Bolączka wszystkich elektronik RepRapowych było dość luźne podejście do pewnych zasad projektowania. Tylko Ramps miał bezpieczniki. Kondensatory były dawane nie zawsze tam gdzie trzeba, a tam gdzie były potrzebne – ich nie było. Tranzystory dobierano „na pałę„, z tego co akurat było w szufladzie. Nikt nie patrzył Na Rds czy Vgs. To, że tranzystor otwierał się dopiero przy 12V było mało znaczącym szczegółem. To, że się zjarał było codziennością. Starałem się to zmienić. Wtedy stwierdziłem, że całkiem mnie to wkręciło. Dyskutowałem o 4 w nocy z Australijczykiem Triffid_hunterem i Niemcem Kimentem o tym, który mosfet jest the best.  Pierwszy napisał firmware Teacup, drugi stworzył Pronterface`a.

32 bity

Na horyzoncie zaczęły pojawiać się nowe elektroniki. W sumie w świecie RepRap znane były dwie. 4Pi Klimenta, coś co niestety nie zyskało zbyt dużo uwagi. Kliment liczył na to, że zyska dużo ludzi tym, że użyje tego samego mikrokontrolera co dopiero co zapowiedziane Arduino Due, ale wstrętny Massimo Banzi i jego ekipa pokrzyżowali te plany i w ostatniej chwili zmienili mikrokontroler. 4Pi zostało więc ze starym przeportowanym Marlinem, który nie wprowadził nic nowego poza tym, że używał nowego sprzętu, ale niestety nie wykorzystywał jego możliwości.

Smooothie

Drugim projektem elektroniki następnej generacji było Smoothieboard i projekt firmware`u Smoothieware. To co wyróżniało je to fakt powstawania dedykowanego firmware`u pisanego prawie od zera. Obydwie części miały tworzyć zwarty ekosystem. Modularność miała pozwolić na łatwą rozbudowe. No i te 120Mhz każdemu podnosi tętno 🙂

Zostałem wciągnięty w ten projekt jeszcze zanim rozpocząłem pracę dla TrinityLabs (zastanawiam się czy nie opisać kiedyś historii tego upadłego start-upu…?). Projekt tworzyła głównie osoba o bardzo mało znaczącym nicku „arthur-_” na co dzień lepiej znany jako Arthur Wolf. Miły chłopak z Francji. Razem z Logxenem, ravixem, ccecilem i wcześniej wspomnianym Triffid_Hunterem tworzyli coś do czego i ja dołączyłem. Jednak projekt elektroniki ciągle mi nie pasował. Postanowiłem stworzyć swoją interpretację, stworzyć elektronikę, która będzie mieć wbudowane zabezpieczenia, będzie wykonana zgodnie ze sztuką. Chciałem sobie podnieść poprzeczkę. Powstał Sunbeam 2.0 – większy, lepszy. Przed wypuszczeniem go na świat odbyła się masa testów, elektronika została sprawdzona w bojach na ZMorphach – drukarkach 3D Przemka Jaworskiego.

W czym to lepsze…?

Często słyszę to pytanie – w czym te nowe elektroniki są lepsze od Rampsa czy Sanguinololu? Przede wszystkim są rozwiązaniami dedykowanymi, stworzonymi od początku do końca do pełnienia jednej funkcji, czyli sterowania drukarką 3D. Drugą sprawą jest firmware, który był tworzony z myślą o nowym hardwarze. Pisanie w środowisku Arduino miało wiele wad związanych z wydajnością. Trzecim najważniejszym aspektem jest łatwość obsługi. W starszych elektronikach wymagane było instalowanie środowiska Arduino, które jeszcze działało jak chciało w zależności od wersji. W smoothie użytkownik nie musi instalować nic poza sterownikami, aktualizacja konfigu czy firmwaru odbywa się za pomocą kopiowania plików na dysk wymienny.

Sunbeam 2.0 razem ze Smoothieboard jest też jedną z pierwszych elektronik, które możemy podłączyć do sieci Ethernet. W ten sposób nasza drukarka 3D jest dostępna z każdego komputera w sieci.

Przyszłość

Cóż, obawiam się, że jak i reszta aspektów związanych z RepRapami i elektronika powoli stanie się zamknięta. Niestety tworząc ja od dwóch lat przekonałem się, że czasami mało kto myśli o autorach projektu, na którym się opiera. Doświadczałem w społeczności czegoś co bym nazwał „zajechaniem” projektu. Ludzie kopiując i komercjalizując czyjąś prace sprawiają, że pomysłodawca nie ma środków na dalszy rozwój. Firma, która to robi sporo oszczędza, bo stworzenie projektu elektroniki i firmware`u od zera zajmuje wiele czasu i pieniędzy. A gdy bierzemy coś co jest open-source to mamy to „za darmo”. Rozwiązanie niby super, ale autorzy często muszą przestać rozwijać projekt bo do drzwi zaczynają pukać ludzie upominający się o czynsz…