Shapeoko 3: primera prueba


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Shapeoko 3 es una fresadora controlada por ordenador (o CNC) que permite trabajar con diferentes materiales para cortar o modelar piezas en 3D. En esta entrada se describe el flujo de trabajo necesario para un ejemplo mínimo.

Introducción

Si has conseguido montar correctamente tu Shapeoko 3, ¡enhorabuena! Ahora, lo que necesitas es conocer el flujo de trabajo que te permitirá crear tus diseños desde cero. En el ejemplo que vamos a desarrollar para este post, partimos de una imagen vectorial, en SVG. El objetivo es dibujar su contorno en un papel, utilizando un rotulador permanente (yo he utilizado el Sharpie que venía con el kit).

En esta ocasión, usaremos el software que Carbide 3D ha creado para el Shapeoko: Carbide Create y Carbide Motion. En futuras entradas, analizaremos el uso de entornos completamente libres.

Preparar el diseño

arco.pngPartimos del logo de Arco, en su versión más sencilla (puedes descargar el SVG pinchando en la imagen adjunta). Sin embargo, esta imagen no nos sirve tal y como está, pues lo que queremos dibujar es su contorno. Aunque hay varias formas de obtener ese mismo resultado, el proceso que yo seguí es el siguiente:

  1. Con Inkscape, rasterizar la imagen (convertir de SVG a PNG).
  2. Abrir en Gimp el raster.
  3. Seleccionar las letras, utilizando la selección por color.
  4. Añadir un borde de 2px a la selección.
  5. Crear una nueva capa, y rellenar en negro la selección.
  6. Exportar sólo esa capa a un PNG.arco-outline.png
  7. De nuevo con Inkscape, vectorizar el contorno: Path -> Trace Bitmap. Deberías obtener algo similar a la imagen adjunta (cuyo fuente en SVG se puede descargar haciendo click en ella).

Algo a tener en cuenta de este SVG es que está construido sin curvas bezier, lo cual aumenta las probabilidades de que se pueda importar correctamente desde el software de Carbide 3D.

Preparar la fresadora CNC

El router CNC que vamos a usar cuenta con 3 ejes de movilidad: X, Y, Z. Por convenio, el eje X es el eje horizontal (si observas la máquina de frente), el eje Y es el de profundidad, y el eje Z trabaja con la altura. El punto inicial (0, 0, 0) se encuentra en la esquina inferior izquierda, tal y como se muestra en la siguiente figura:

so3.png

La fresadora cuenta con un área de trabajo útil de 40 x 37 cm, en la que se ha de colocar el material con el que se va a trabajar, que en nuestro caso, será una hoja de papel (DIN A4).

Para empezar, con la máquina desconectada, desliza el cabezal de la fresadora lo más lejos posible, de tal forma que puedas tener acceso al área de trabajo. A continuación, coloca la hoja en la mesa de trabajo del CNC. Dado que el material es más pequeño que el área máxima disponible, tienes cierto margen donde colocarlo. Yo te recomiendo que lo centres en X, y lo ajustes en Y al mínimo. Deberás fijarlo a la mesa (del CNC) con algún adhesivo (por ejemplo, cinta de carrocero o cinta americana), pero antes, coloca un cartón del mismo tamaño (o mayor) debajo del A4; éste sirve para un doble propósito: evitar que el rotulador traspase el A4 y marque la mesa de trabajo, y proporciona cierto acolchamiento al rotulador para no dañar la punta. La siguiente imagen muestra esta instalación:

untitled.png

Como se puede apreciar en la imagen, también debes sujetar el rotulador al cabezal del CNC, una simple brida de plástico bastará.

Crear el proyecto con Carbide Create

Esta herramienta sirve para generar las operaciones que debe completar el router para obtener el resultado que deseamos. Es aquí donde se asocian las primitivas vectoriales (las figuras del SVG) a desplazamientos en los 3 ejes de una herramienta en concreto colocada en el cabezal de la fresadora.

Dividimos esta fase en varias etapas: configurar el área de trabajo, importar el SVG, definir la herramienta a usar (el rotulador Sharpie), definir las rutas (o toolpaths) y generar el GCode.

Configurar el área de trabajo

Al arrancar esta herramienta, se abrirá la configuración por defecto, que poco tiene que ver con nuestros requisitos. Para empezar, el área de trabajo es de diferente tamaño. Además, se carga un ejemplo ya terminado (con el texto Carbide Create) que no nos interesa. Para configurar el espacio de trabajo, sigue los siguientes pasos:

Screenshot from 2017-02-23 15-47-50.png
Menú superior de Carbide Create
  1. Haz click sobre el botón de “Job Setup” (un engranaje, en la esquina superior izquierda).
  2. Cambiaremos las opciones desde abajo hacia arriba. Pulsa sobre el botón “Clear Drawing” para eliminar el ejemplo.
  3. En la sección “Units”, cambia a milímetros (MM).
  4. En “Stock Thickness” debes especificar el grosor del material que estás usando. En el caso que nos ocupa, no es muy importante, porque evitaremos que la herramienta profundice en Z. Ponlo a 0.01 mm y recuerda ese dato, lo usarás después.
  5. En “Stock Size” debes especificar el tamaño del material. Un A4 apaisado son 297 (width) x 210 (height) mm.
  6. Pulsa sobre “Ok”, y después sobre “Reset View” (en el menú superior)
Screenshot from 2017-02-23 15-53-21.png
Configuración del trabajo para un A4

Con esta configuración, el área de trabajo está reducida al tamaño del material, y ya puedes añadir el dibujo vectorial que hiciste antes (o el que te puedes descargar desde el enlace de arriba).

Importar el SVG

Pulsa sobre el botón “Open” y elige el fichero con el contorno del logo (en mi caso, llamado arco_outline.svg). Se incluirá en el espacio de trabajo, por defecto en la esquina inferior izquierda. Para moverlo o escalarlo, es necesario que lo selecciones primero. O bien haces click sobre una figura o línea en concreto, o bien pulsas en el canvas y arrastras, creando una selección rectangular. También puedes pulsar ‘Ctrl + a’ para elegirlas todas. Al hacerlo, aparecerán en el lado izquierdo algunas opciones: mover, rotar, escalar, etc. Coloca la figura donde mejor te parezca.

Por otro lado, el SVG contiene líneas de contorno que no son necesarias (para este ejemplo), por lo que las puedes eliminar. La siguiente imagen muestra la diferencia:

remove_outlines.png
Eliminar las líneas de contorno

Añadir nueva herramienta (el Sharpie)

A continuación, debes indicarle al CNC qué herramienta debe usar para ‘dibujar’ los trazos que hay en el canvas. La aplicación Carbide Create incluye una librería con las herramientas más comunes: básicamente fresas de diferentes tamaños. Sin embargo, el rotulador no se cuenta entre ellas (al igual que muchas otras que usarás en el futuro). Por suerte, añadir una nueva herramienta no es complejo:

  1. Pulsa en el botón “Toolpath”, situado en el menú superior.
  2. Elige una figura cualquiera del canvas. NOTA: para añadir una nueva herramienta, es necesario crear un toolpath. Sólo lo utilizarás para acceder al editor de tools, por lo que no prestes demasiada atención a los parámetros… 😀
  3. Pulsa sobre “Contour” en “Create Toolpath”, después en “Edit” y finalmente en “Edit Library”. Se abrirá una ventana con todas las herramientas que tienes disponibles.tool_libs.png
  4. Pulsa sobre “Add Tool”. Se creará una nueva herramienta con los parámetros por defecto. Debes haces doble click sobre ella (o click derecho y “Edit Tool”) para poder modificarla.
  5. Antes de nada, cambia las unidades a milímetros (MM).
  6. Elige el tipo de punta; en este caso, creo que “Ball Mill” es la más adecuada.
  7. Añade una descripción que te ayude a identificar la herramienta: “Sharpie marker”.
  8. El número debe ser único. Los de Carbide usan el primer dígito para clasificarlas por el diámetro de la caña, y los demás para el tipo de fresa. Usa un convenio similar, por ejemplo 501.
  9. En “Diameter” indica el grosor de la punta del rotulador (~ 2 mm).
  10. “Flute Legth”, “Angle” y “Number of Flutes” no son muy importantes (se utilizan para ciertos toolpaths que no usaremos esta vez), pero puedes rellenarlos con los datos que creas más correctos (en mi caso: 5, 0, 1, respectivamente).
  11. Pulsa sobre “Ok” y cierra esta ventana. Pulsa sobre “Cancel” y “Cancel” de nuevo para cerrar el toolpath, y bórralo de la lista (click derecho, “Delete”). La herramienta se habrá guardado correctamente, pero sólo para este Job (que quizá te compense guardarlo como plantilla para futuras ocasiones 😉 ).

Ahora que tienes la herramienta adecuada, el siguiente paso implica generar las rutas que debe seguir para hacer el trabajo. Este proceso se detalla en la siguiente sección.

Crear los toolpaths

Elige (si no lo has hecho ya) todos los elementos del canvas, y de nuevo pulsa sobre “Contour”. Esta vez prestaremos atención a todos estos parámetros, pero antes, cambia la herramienta:

  1. Pulsa sobre “Edit”, en la sección “Tool”.tool_edit.png
  2. En el menú desplegable, elige la herramienta que has definido en la sección anterior: “#501 – 2 mm Ball”.
  3. Técnicamente, el software se encarga de calcular automáticamente las velocidades y la profundidad de cada pasada en función de las características de la fresa que hayamos puesto. En el caso del rotulador, sin embargo, debemos especificarlas manualmente. Desmarca la casilla “Set speeds automatically”.
  4. En “Depth per Pass” debes especificar el grosor del material que pusiste anteriormente: 0.01 mm. De esta forma, evitas que haga varias pasadas.
  5. Los dos siguientes parámetros, “Stepover” y “Spindle Speed”, no son críticos, los puedes dejar como están.
  6. “Feed Rate” es la velocidad de desplazamiento en los ejes X e Y del cabezal del CNC, en mm por minuto. 320 es terriblemente lento para este caso. Cámbialo a 2500 (o incluso 3000).
  7. “Plunge Rate” es la velocidad en el eje Z. Puedes poner el mismo valor que en “Feed Rate” sin problema.
  8. Pulsa sobre “Ok” para aplicar los cambios.

Una vez definidas las velocidades correctamente, es necesario especificar otros aspectos del trazo, como la profundidad que quieres o los márgenes. Esos parámetros se modifican desde la vista de toolpath:

  1. En “Cutting Depth”, pulsa sobre “Use Stock Bottom”. Se cambiará el valor de “Max Depth” por el grosor del material que especificaste: 0.01. Este parámetro, junto con el de “Depth Per Pass” de la herramienta que uses, determinará la cantidad de pasadas que hará para completar el trabajo. Dado que ambos coinciden, solo pasará 1 vez.
  2. En “Offset Direction” puedes probar varias opciones. Para este primer ejemplo, déjalo en “No Offset”, lo cual trazará las líneas tal y como se ven en el canvas.
  3. Puedes definir un nombre para este toolpath que te ayude a identificarlo: “complete job” por ejemplo.
  4. Pulsa sobre “Ok” para guardar los cambios.

¡Ya tienes listo tu proyecto! Solo necesitas exportarlo a GCode, e importarlo en Carbide Motion para trazarlo. Para exportar, debajo de la lista de toolpaths hay un botón, “Save GCode”. Púlsalo y guarda el fichero en un lugar accesible. También es buena idea que guardes tu proyecto: en el menú superior, pulsa sobre “Save” y dale un nombre adecuado. Puedes cerrar Carbide Create para la siguiente etapa.

Trazado del proyecto con Carbide Motion

ATENCIÓN: en esta sección se hará uso de la fresadora CNC. Ten mucho cuidado para evitar cualquier accidente, o dañar la máquina. Presta atención a todos los pasos y no te desvíes, a menos que sepas muy bien lo que haces.

Carbide Motion es el software que se encarga de controlar la fresadora CNC. Leerá todas las instrucciones del fichero en GCode que has generado anteriormente, y las mandará a la placa controladora del CNC. Antes de empezar, asegúrate de que la máquina está conectada por USB a tu equipo, y que la alimentación de los motores esté desconectada (el switch de e-stop esté en off, debes poder mover el cabezal en los 3 ejes sin necesidad de ejercer fuerza).

Arranca Carbide Motion, y en la ventana de inicio, pulsa sobre “Connect” para establecer la comunicación con la máquina. Si todo ha ido bien, verás una ventana similar a esta:

Screenshot from 2017-02-24 12-57-46.png

Los pasos que seguiremos a continuación serán: establecer el cabezal en su posición “zero” (calibrado), cargar el proyecto y trazarlo. El primer paso es el más complejo y delicado.

Calibrado para el proyecto

Pulsa sobre el botón “Jog”. Si tu Shapeoko tiene instalados los switches de final de carrera, y Carbide Motion lo sabe, se lanzará el proceso de homing. En mi caso en concreto, el kit no los traía, por lo que omitiré esta parte. De hecho, la máquina hace algunas comprobaciones automáticas y el proceso es ligeramente diferente si tienes los switches. Si quieres seguir los siguientes pasos, te recomiendo que desactives el Homing: pulsa sobre “Settings”, y cambia el valor de “Shapeoko Has Homing” a false. Pulsa de nuevo en “Jog”.

El panel de “Jog” sirve para mover manualmente el cabezal de la fresadora en los 3 ejes. Esto te permite ajustarlo con cierta precisión a una posición conocida desde la que partirá el proyecto. Para ello, sigue los siguientes pasos:

Screenshot from 2017-02-24 13-28-19.png

  1. Si las unidades que ves son pulgadas, pulsa sobre “Use MM”.
  2. Mueve manualmente (con la mano) el cabezal del CNC en los ejes X e Y, hasta que la punta del Sharpie se sitúe sobre la esquina inferior izquierda del material (la hoja A4).
  3. Asegúrate de que nada bloquea los carriles de ninguno de los ejes del CNC.
  4. Enciende los motores. Oirás un pequeño zumbido.
  5. Coloca un trozo de papel liso encima de la esquina inferior izquierda del material. Esa es la distancia que debes dejar entre la punta del rotulador y tu material (el A4). Cuando el CNC vaya a trazar esa zona, descenderá los 0.01 mm que indicaste en la configuración de la herramienta.
  6. A continuación, con mucho cuidado, debes acercar la punta del rotulador al material. Para ello, pulsa el botón Z-, que moverá el cabezal en el eje Z hacia abajo. Ajusta el valor de “Move Increment” según vayas avanzando: empieza quizá por “Slow” y según te aproximes, cambia a “1 mm” o “0.1 mm”.
  7. Cuando la punta del rotulador toque el trozo de papel, pulsa sobre “Set Zero” y luego en “Zero All” y “Done”. Puedes subir el cabezal pulsando en Z+ y quitar el trozo de papel.

Ya tienes la máquina calibrada para la herramienta que has instalado (el Sharpie) y para el material que tienes en la mesa de trabajo. Lo siguiente será cargar tu proyecto en GCode.

Trazado del diseño

Al pulsar sobre “Load”, se abrirá un cuadro de diálogo para que busques el fichero en GCode que generaste con Carbide Create. Cárgalo y pulsa sobre “Run”. Se mostrará algo como lo siguiente:

Screenshot from 2017-02-24 13-48-30.png

Al pulsar sobre el botón “Play” (el triángulo), el software moverá el cabezal a la posición zero en X e Y. En Z, se desplazará a la posición zero menos la distancia “Retract Height”, que especificaste en la configuración del Job.

En esta posición, te pedirá que instales la herramienta para el primer toolpath (el Sharpie, que ya tienes instalado), y pulses “Continue”. En ese momento, el software toma el control y traza todas las figuras geométricas que especificaste en ese toolpath.

Cuando termine, si todo ha ido bien, deberías tener tu dibujo listo en el folio y en tu cara una sonrisa de satisfacción 😀 A partir de aquí, ¡el límite es tu imaginación!

Referencias

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