Tutto ciò che desideri sapere sul CNC

Con questo articolo andrò ad approfondire il discorso che avevo già iniziato nel mio articolo sulla stampa 3D (chiarendo le perplessità di molti utenti del sito) e ad introdurre delle macchine incredibili che sono tuttavia ignote alla maggior parte delle persone: frese e pantografi CNC.

Cos'è il CNC?

CNC è l’acronimo di Computer Numerical Control, in questa macrocategoria sono racchiuse tutte quelle macchine che appunto vengono controllate numericamente. Al giorno d’oggi basta guardarsi intorno per capire che il CNC è parte integrante del nostro quotidiano (dal forno a microonde alla lavatrice, dalle macchinette del caffè alla nostra auto) tant’è che la “stragrande” maggioranza delle macchine che utilizziamo sono CNC.

Stampante 3D

La parte hardware della stampante 3D, che ho già provveduto a descrivere, è essenziale da conoscere in quanto sfruttata dalla maggior parte delle tecnologie CNC (frese, pantografi, 3D scanner, ecc.).

Software

La stampa 3D richiede principalmente un software CAD (Computer Aided Design) per poter disegnare l’oggetto e un software CAM (Computer Aided Manufacturing) per poter trasformare il disegno in istruzioni macchina comprensibili alla stampante.

Come software CAD consiglio Blender e Rhinoceros: il primo è molto utile per disegni semplici e immediati mentre il secondo è essenziale per progetti più particolareggiati e complessi.

I principali programmi CAM sono Printrun e Repetier-Host; essi sono molto simili tant’è che si appoggiano agli stessi software (Slic3r e Skeinforge) per la fase di slicing tuttavia il secondo ha un interfaccia grafica molto più curata del primo (inoltre ha l’opzione di caricare il file su una sd-card esterna).

Per prima cosa, una volta creato il progetto ed esportato in .stl, bisogna convertirlo in linguaggio macchina (.gcode) ovvero un codice in cui sono descritti tutti i movimenti e le operazioni che la stampante deve fare per creare il progetto digitale (questa fase è denominata slicing).

Il codice non è molto complesso: nelle prime 18 righe sono indicate le specifiche della stampante mentre dalla riga 20 in poi sono indicate le operazioni da eseguire e le coordinate di posizionamento dell’estrusore.

I principali software in grado di compiere lo slicing sono Slic3r e Skeinforge, essi vanno settati a seconda delle caratteristiche della stampante, del filamento e della qualità di stampa che si vuole ottenere; essi sono spesso incorporati nel programma di CAM vero e proprio che si occupa di interfacciare la stampante con il computer e di far eseguire i comandi del .gcode all’hardware della macchina.

Il programma di CAM è essenziale anche in fase di costruzione della stampante in quanto possiede un pannello di controllo manuale per testarne il corretto funzionamento.

Firmware

Per potersi interfacciare correttamente con il computer, nella board di controllo della stampante (nel mio caso Arduino Mega 2560 abbinato a RAMPS 1.4) deve essere caricato un firmware (a mio parere il firmware migliore è Sprinter Master per la chiarezza del codice). Anche il firmware va settato in base alle caratteristiche della stampante.
Per caricare il firmware bisogna per prima cosa installare i driver della board di controllo sul proprio computer e connettersi con quest’ultima; infine compilare il codice e fare l’upload su Arduino.

Per settare il firmware (nel mio caso prendo in esame Sprinter-Master) di Arduino bisogna, dopo aver scaricato il codice, aprire il file .ino (nel mio caso Sprinter.ino) e lavorare su configuration.h.

Le principali voci da settare sono:

#define MOTHERBOARD 33
Il numero identifica la board adottata

#define THERMISTORHEATER 1
#define THERMISTORBED 1
Il numero indica la resistenza del termistore (1 indica un termistore da 100k)

#define _AXIS_STEP_PER_UNIT {80, 80, 3200/1.25,700}
Il numero di passi che i motori stepper devono fare per percorrere un unità metrica.

const bool X_ENDSTOP_INVERT = false;
const bool Y_ENDSTOP_INVERT = false;
const bool Z_ENDSTOP_INVERT = false;
Riferite alla possibilità di invertire gli endstop posti ai limiti degli assi.

#define BAUDRATE 250000
Il baudrate è la velocità di comunicazione con la stampante (questo valore dovrà 
essere immesso correttamente anche nel programma di Cam).

const bool INVERT_X_DIR = true;
const bool INVERT_Y_DIR = true;
const bool INVERT_Z_DIR = true;
const bool INVERT_E_DIR = true;
Per invertire il verso di rotazione dei motori stepper (un metodo alternativo per
invertire il senso di rotazione è girare il connettore del motore che si inserisce 
sui 4 pin della board).

const int X_MAX_LENGTH = 200;
const int Y_MAX_LENGTH = 200;
const int Z_MAX_LENGTH = 100;
Le dimensioni del piatto di stampa e della corsa dell’asse z.

#define X_HOME_DIR -1
#define Y_HOME_DIR -1
#define Z_HOME_DIR -1
Indica la direzione per trovare la posizione di Home.

Fresa e pantografo CNC

Le frese CNC sono molto particolari e utili con applicazioni in svariati campi; ad esempio è possibile tagliare una piastra di metallo o legno secondo un disegno preciso, scavarla per creare un oggetto tridimensionale (anche sculture), creare dei circuiti stampati, ecc.

La differenza tra pantografo e fresa è che il primo ha solo due assi (x e y) e può quindi solo ritagliare il pezzo mentre le frese sono dotate di 3-4 assi e possono “scavare” oggetti tridimensionali.
Mentre la stampante 3D lavora per addizione, sommando layer su layer riesce a creare l’oggetto, qui si lavora per sottrazione ovvero partendo da un blocco di legno o di metallo la fresa va a scolpire il disegno tramite il movimento di un mandrino. La fresatura si divide in due fasi: la sgrossatura, in cui la fresa è munita di una punta molto grossa e poco precisa, che ha lo scopo di sgrossare il blocco, e la finitura in cui sul mandrino è fissata una punta più piccola e precisa per rifinire l’oggetto.

CNC Project ha sviluppato e reso Open Source un progetto low cost di un prototipo di fresa, con manuali per agevolare l’assemblaggio e alcuni programmi molto utili per controllarla; il costo di realizzazione del progetto si aggira attorno ai 500 euro (contro i 1500 euro delle frese commerciali che hanno un area di lavoro molto più piccola).
L’elettronica della fresa si riassume in: un potente mandrino (con adeguate punte a seconda del materiale da fresare), tre stepper-motor nema23 (più grandi e potenti dei nema17 utilizzati nelle stampanti 3D), tre end-stop e una board di controllo.

Image credits: www.cncproject.net

La struttura è formata da fogli di legno e barre di metallo; il basamento è un carrello che scorre lungo l’asse y mentre il mandrino è bloccato su una struttura che gli permette di scorrere sia orizzontalmente che verticalmente.

Infine i software sono: Mach 3 come software di CAM e Dxf to Gcode per fare lo slicing del progetto.

Un’altra strada per poter avere una fresa CNC low cost è quella di comprare una fresa manuale e convertirla in CNC. Esistono due modelli di frese manuali particolarmente facili da convertire: Proxxon MF70 e Proxxon PD230 (con un area di lavoro più grande rispetto alla prima ma molto più costosa).

Edoardo Lenzi

14 Commenti

  1. delfino_curioso delfino_curioso 5 giugno 2014
  2. dodo dodo 5 giugno 2014
  3. Adriano Gandolfo adrirobot 17 giugno 2014
  4. dodo dodo 17 giugno 2014
  5. delfino_curioso delfino_curioso 17 giugno 2014
    • Luca.Rosa 11 dicembre 2015
  6. IvanScordato Ivan Scordato 27 giugno 2014
  7. dodo dodo 27 giugno 2014
  8. Piero Boccadoro 28 giugno 2014
  9. dodo dodo 28 giugno 2014
  10. D'angella.Vincenzo 11 settembre 2014
  11. sergio_arduino48 sergio_arduino48 26 gennaio 2015
    • dodo dodo 26 gennaio 2015
  12. Giacomo 7 marzo 2018

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