Un progetto maker nel quale la stampa 3D diventa parte della meccanica
Pocket Derby è un progetto DIY che combina stampa 3D FDM, microcontrollori ESP32, sensori a infrarossi, motori passo-passo e comunicazione wireless per ricreare in formato domestico uno dei classici giochi da luna park nei quali più concorrenti fanno avanzare il proprio animale su una pista cercando di centrare specifiche zone di punteggio. In questo caso gli animali sono cammelli e fino a quattro giocatori possono partecipare contemporaneamente, ma l’elemento più interessante dal punto di vista della manifattura additiva è il modo nel quale la stampa 3D viene utilizzata. Non si limita infatti a produrre contenitori per l’elettronica o elementi decorativi: alcune parti stampate svolgono direttamente funzioni meccaniche all’interno del sistema di movimento.
Il progetto, realizzato da Philipp Reinisch e distribuito come pacchetto digitale Pocket Derby, comprende modelli STL, firmware, schemi di collegamento e indicazioni per l’assemblaggio. L’utilizzatore deve quindi stampare le parti, procurarsi l’elettronica necessaria e assemblare il gioco. La struttura può essere realizzata in due configurazioni differenti: una versione ibrida, nella quale il movimento della corsa viene visualizzato digitalmente attraverso un browser, e una versione completamente fisica che utilizza una pista meccanica stampata in 3D.
Questa doppia configurazione è interessante perché permette di separare l’interfaccia di gioco dalla rappresentazione della gara. I controller utilizzati dai giocatori rimangono sostanzialmente gli stessi, mentre cambia ciò che accade dopo il rilevamento del punteggio: nel primo caso il risultato viene rappresentato sullo schermo, nel secondo viene tradotto nel movimento fisico di quattro piccoli cammelli.
Le biglie diventano l’interfaccia fisica del gioco
Ogni partecipante dispone di un controller nel quale deve lanciare delle biglie. La superficie è suddivisa in differenti aree di punteggio e tre sensori IR a riflessione rilevano dove termina la biglia. In base alla zona raggiunta, il sistema assegna un valore e determina di quanto debba avanzare il cammello associato al giocatore.
Il principio ricorda volutamente i giochi meccanici da fiera, nei quali abilità e casualità vengono combinate. Il giocatore non preme semplicemente un pulsante per far avanzare il proprio animale: deve interagire con un elemento fisico e cercare di ottenere il punteggio migliore.
La scelta dei sensori a riflessione infrarossa consente di rilevare il passaggio o la presenza della biglia senza ricorrere necessariamente a interruttori meccanici azionati dall’urto. Un tipico sensore di questo tipo utilizza un emettitore IR e un ricevitore. La radiazione emessa viene riflessa dall’oggetto e il segnale ricevuto permette all’elettronica di determinare se qualcosa è presente davanti al sensore.
In un progetto come Pocket Derby questo significa poter trasformare una geometria completamente stampata in 3D in un’interfaccia elettronica: la plastica definisce rampe, percorsi e zone nelle quali si muove la biglia, mentre i sensori nascosti nella struttura identificano il risultato.
Ogni controller utilizza un ESP32
Il cuore elettronico del sistema è costituito dai microcontrollori della famiglia ESP32, sviluppata da Espressif Systems. La scelta è particolarmente adatta a un progetto di questo tipo perché l’ESP32 combina capacità di elaborazione, numerosi ingressi e uscite e comunicazione wireless in una piattaforma economica e ampiamente utilizzata nella comunità maker.
Il microcontrollore riceve i segnali provenienti dai sensori IR, determina il punteggio ottenuto dal giocatore e invia l’informazione verso l’unità principale che gestisce la gara.
Questa organizzazione distribuita presenta un vantaggio pratico: i quattro controller non devono essere fisicamente collegati alla pista attraverso un fascio di cavi dati. Ogni postazione può funzionare come nodo indipendente e trasmettere soltanto l’informazione necessaria al sistema centrale.
Pocket Derby utilizza per questa comunicazione ESP-NOW, protocollo sviluppato direttamente da Espressif per i dispositivi ESP.
ESP-NOW permette ai controller di comunicare senza un router Wi-Fi
ESP-NOW è particolarmente interessante nei progetti embedded perché permette a dispositivi compatibili di scambiarsi dati direttamente senza dover creare una normale rete Wi-Fi basata su router e access point.
Espressif descrive ESP-NOW come un protocollo di comunicazione connectionless basato sull’hardware Wi-Fi dei propri microcontrollori. I dispositivi possono trasmettere dati attraverso modalità unicast o broadcast e realizzare configurazioni uno-a-molti e molti-a-molti.
Per Pocket Derby questa architettura elimina un elemento che avrebbe complicato inutilmente il gioco. Non occorre configurare il nome di una rete domestica, inserire una password Wi-Fi o garantire che il router sia disponibile. I controller possono comunicare direttamente con l’unità centrale.
È inoltre un protocollo adatto a piccoli pacchetti di dati. Pocket Derby non deve trasmettere video o grandi file: deve essenzialmente comunicare eventi come l’identità del giocatore e il punteggio registrato. Sono informazioni molto piccole e possono essere trasferite rapidamente.
Espressif indica inoltre tempi di risposta nell’ordine dei millisecondi nelle applicazioni ESP-NOW, caratteristica utile in un gioco nel quale la risposta fra lancio della biglia e avanzamento del cammello deve apparire immediata al giocatore.
Due modalità: gara digitale oppure pista completamente meccanica
La versione più semplice dal punto di vista meccanico utilizza i controller fisici ma visualizza la gara su un browser Web collegato a un PC o a un televisore. Le azioni dei giocatori rimangono quindi analogiche e fisiche, mentre la corsa viene rappresentata digitalmente.
Questa configurazione riduce significativamente la quantità di materiale da stampare e il numero di elementi meccanici da costruire. Può inoltre essere utile per verificare che controller, sensori e comunicazione funzionino correttamente prima di affrontare la costruzione della pista completa.
La seconda configurazione rappresenta invece il progetto nella sua forma più interessante: quattro cammelli vengono fisicamente spostati lungo altrettante corsie da un sistema meccanico realizzato in larga parte mediante stampa FDM.
È qui che Pocket Derby si distingue da molti normali progetti elettronici stampabili. La stampante non realizza semplicemente il contenitore nel quale installare quattro meccanismi commerciali: produce una parte dello stesso sistema di movimento.
Quattro motori passo-passo muovono i cammelli
Ogni corsia dispone di un proprio motore passo-passo. A differenza di un normale motore DC, che ruota quando viene alimentato, un motore stepper divide la rotazione in incrementi controllabili. L’elettronica può quindi comandare un determinato numero di passi e ottenere una rotazione relativamente prevedibile.
È una tecnologia molto conosciuta dagli stessi utilizzatori delle stampanti 3D, perché le macchine FDM impiegano normalmente motori passo-passo per controllare gli assi X, Y e Z e per azionare l’estrusore.
Nel Pocket Derby viene utilizzato lo stesso principio per spostare i cammelli. Il punteggio ottenuto dal giocatore viene convertito in una determinata quantità di movimento del motore. Il sistema può quindi far avanzare il cammello di una distanza differente in funzione del risultato ottenuto con la biglia.
La corsa diventa così una successione di piccoli movimenti controllati, fino al momento nel quale uno dei concorrenti raggiunge il traguardo.
Anche le barre filettate vengono stampate in 3D
Uno degli elementi tecnicamente più curiosi riguarda la trasmissione del movimento. Nei normali sistemi lineari un motore passo-passo può essere collegato a una vite trapezoidale o a una barra filettata metallica. Quando la vite ruota, una madrevite vincolata al carrello trasforma la rotazione in movimento lineare.
Pocket Derby riproduce questo principio utilizzando componenti realizzati tramite FDM. I quattro motori fanno ruotare barre filettate stampate in 3D, mentre i carrelli utilizzano filettature interne anch’esse prodotte additivamente.
Questo significa che le superfici generate direttamente dalla stampante devono scorrere una sull’altra e funzionare come coppia vite-madrevite.
Per un’applicazione industriale ad alta precisione una trasmissione di questo tipo avrebbe limiti evidenti rispetto a una vite metallica lavorata. La stampa FDM introduce rugosità superficiale, tolleranze più ampie e piccole variazioni dimensionali determinate da materiale, temperatura e calibrazione della macchina.
Nel Pocket Derby, però, precisione micrometrica, grande rigidità e lunga durata sotto carichi elevati non sono richieste. Il sistema deve semplicemente spostare un piccolo elemento decorativo lungo una pista. È quindi possibile utilizzare la libertà della stampa 3D per sostituire componenti che, in un’applicazione più impegnativa, sarebbero normalmente acquistati in metallo.
Le guide impediscono ai carrelli di ruotare
Una vite da sola non crea automaticamente un movimento lineare. Se la madrevite fosse libera di ruotare insieme alla barra filettata, il carrello non avanzerebbe correttamente.
Per questo motivo la pista integra guide che impediscono al carrello di ruotare, lasciandogli soltanto la libertà di movimento nella direzione della corsa.
Quando il motore fa ruotare la barra filettata, il carrello non può seguirne la rotazione e viene quindi obbligato ad avanzare o arretrare lungo l’asse.
Il principio è esattamente quello utilizzato in moltissimi attuatori lineari. La particolarità sta nel fatto che Pocket Derby cerca di realizzare vite, madrevite, carrello e gran parte delle guide con una normale stampante FDM.
In questo senso la stampa 3D non è più soltanto uno strumento per dare forma al gioco, ma diventa un processo utilizzato per produrre una trasmissione meccanica funzionante.
I finecorsa permettono al sistema di conoscere la posizione iniziale
La documentazione citata da 3Druck segnala anche la presenza di finecorsa integrati nella struttura.
Questi elementi sono importanti in un sistema comandato da motori passo-passo. Il motore può contare quanti passi ha eseguito, ma dopo l’accensione non conosce necessariamente la posizione assoluta del carrello.
Un finecorsa permette di effettuare una procedura concettualmente simile all’homing di una stampante 3D. Il carrello viene mosso verso un’estremità finché il sensore o interruttore viene attivato. Quel punto diventa il riferimento dal quale vengono calcolati gli spostamenti successivi.
Al termine di una gara il sistema può inoltre riportare i cammelli nella posizione iniziale e prepararsi automaticamente alla partita successiva.
L’analogia con una stampante 3D è evidente: motore stepper, trasmissione filettata, guida lineare e finecorsa sono esattamente alcuni dei componenti fondamentali utilizzati per controllare gli assi di molte macchine additive.
Pocket Derby riutilizza quindi in miniatura l’architettura della stessa stampante che lo produce
È uno degli aspetti più curiosi dell’intero progetto. Una stampante FDM utilizza motori passo-passo e sistemi lineari per depositare il materiale necessario a costruire Pocket Derby. Una volta terminata la stampa, alcune delle parti prodotte vengono assemblate con altri motori passo-passo per costruire un nuovo sistema di movimento.
In un certo senso, quindi, la macchina produce una versione semplificata dei propri stessi principi meccanici.
La differenza è che nel Pocket Derby anche la vite viene stampata, mentre nelle stampanti 3D commerciali gli assi che utilizzano questo principio impiegano normalmente viti o lead screw metalliche.
Per un progetto didattico questa soluzione offre anche la possibilità di osservare chiaramente il rapporto tra rotazione della vite e spostamento lineare del carrello.
I controller includono parti print-in-place
Anche i controller sfruttano la capacità della produzione additiva di creare piccoli meccanismi direttamente durante la stampa.
Pocket Derby integra infatti elementi print-in-place, termine utilizzato per descrivere parti mobili realizzate contemporaneamente senza doverle assemblare attraverso viti, perni o altri elementi aggiuntivi.
Il principio si basa sulla realizzazione di giochi sufficienti fra superfici adiacenti. Durante la stampa le parti rimangono separate da un piccolo spazio; una volta rimosse dal piano possono quindi muoversi reciprocamente.
Il successo dipende però dalla calibrazione della stampante. Una macchina che sovraestrude o produce dimensioni non accurate può saldare insieme le parti che dovrebbero rimanere indipendenti. Al contrario, tolleranze troppo grandi possono produrre meccanismi con giochi eccessivi.
Pocket Derby diventa quindi anche un interessante banco di prova per la qualità dimensionale della stampante utilizzata.
Clip stampate sostituiscono parte della minuteria tradizionale
La struttura utilizza inoltre clip e supporti stampati per PCB, sensori, finecorsa e altri elementi elettronici.
È un’applicazione semplice ma molto efficace della stampa FDM. In un prodotto convenzionale potrebbe essere necessario realizzare staffe separate oppure impiegare distanziali, viti e dadi per fissare ogni scheda.
Progettando il supporto direttamente nella geometria del controller è possibile ridurre il numero dei componenti necessari durante l’assemblaggio.
Questo non significa che ogni collegamento a scatto sia automaticamente migliore di una vite. Una clip in PLA può rompersi se viene deformata troppe volte e il comportamento dipende fortemente dall’orientamento degli strati. Nel contesto di un dispositivo DIY che viene assemblato una volta e successivamente utilizzato come gioco, però, la soluzione può essere perfettamente adeguata.
È anche un esempio concreto di part consolidation, uno dei vantaggi spesso attribuiti all’additive manufacturing: caratteristiche che normalmente richiederebbero più componenti vengono incorporate direttamente nel pezzo principale.
Il materiale principale è il PLA
La documentazione del progetto indica prevalentemente PLA come materiale di stampa.
È una scelta comprensibile per un progetto maker. Il PLA è disponibile praticamente per qualsiasi stampante FDM, presenta una buona rigidità, è relativamente semplice da stampare e tende a produrre dimensioni prevedibili senza richiedere una camera riscaldata.
Pocket Derby non è inoltre destinato a lavorare a temperature elevate o sotto grandi carichi strutturali, situazioni nelle quali materiali come PETG, ABS, ASA o tecnopolimeri potrebbero offrire vantaggi superiori.
Per le normali parti viene indicata un’altezza layer di 0,2 millimetri con circa 15% di infill. Sono valori abbastanza comuni nella stampa desktop e mostrano che il progetto non richiede necessariamente configurazioni estreme.
Naturalmente alcune parti meccaniche possono beneficiare più delle pareti esterne e dell’orientamento corretto degli strati che di un forte aumento dell’infill. Filettature e clip, per esempio, concentrano gli sforzi localmente e devono essere stampate con orientamento compatibile con il tipo di carico previsto.
Quattro controller richiedono circa 1,4 chilogrammi di PLA
Pocket Derby non è un progetto particolarmente piccolo dal punto di vista della quantità di materiale.
Secondo la documentazione citata da 3Druck, la stampa dei quattro controller richiede circa 1,4 chilogrammi di PLA. Considerando le strutture di supporto, il consumo può salire a circa 1,7 chilogrammi.
Se viene aggiunta anche la pista completamente meccanica, il consumo complessivo viene stimato fra 2 e 2,4 chilogrammi di materiale.
Significa che per realizzare la versione completa è prudente mettere in conto almeno due bobine standard da un chilogrammo e, in funzione delle impostazioni e degli eventuali errori di stampa, anche una quantità aggiuntiva.
Il progetto richiede quindi un investimento di tempo macchina significativo. Con layer da 0,2 mm e numerosi componenti, la produzione completa non è un lavoro da poche ore.
La modularità riduce però il rischio: non occorre realizzare un enorme pezzo monolitico. Le singole parti possono essere stampate progressivamente e sostituite separatamente in caso di errore.
La modularità è uno dei veri vantaggi della produzione additiva nel progetto
Se una clip si rompe, un carrello presenta troppo gioco oppure una barra filettata viene stampata male, non è necessario ricostruire l’intero Pocket Derby. È sufficiente ristampare il componente interessato.
La stessa caratteristica permette di modificare il progetto. Un utilizzatore con competenze CAD può cambiare colori, animali, decorazioni o geometria delle postazioni mantenendo invariata l’architettura elettronica.
È proprio in questo tipo di prodotto che la stampa 3D mostra uno dei propri vantaggi rispetto alla produzione tradizionale. Realizzare uno stampo a iniezione per ogni elemento del gioco non avrebbe alcun senso per un singolo esemplare. La FDM permette invece di produrre direttamente ogni elemento partendo dal file digitale.
La versione browser riduce drasticamente il lavoro per chi vuole concentrarsi sull’elettronica
La possibilità di utilizzare Pocket Derby senza costruire la pista meccanica rende il progetto accessibile anche a chi è principalmente interessato alla parte elettronica e software.
Quattro persone possono utilizzare i controller fisici mentre un PC o un televisore mostra l’avanzamento dei cammelli.
Il gioco mantiene quindi la propria componente sociale e fisica, ma elimina motori, barre filettate, carrelli e assemblaggio della pista.
È anche un approccio intelligente durante la costruzione: il maker può verificare prima che ogni sensore rilevi correttamente le biglie, che i controller comunichino tramite ESP-NOW e che il sistema assegni i punteggi. Solo quando l’elettronica funziona può aggiungere la componente meccanica.
Separare il sistema in moduli riduce notevolmente la difficoltà di individuare eventuali problemi.
La versione completa diventa invece un progetto multidisciplinare
Chi realizza l’intero Pocket Derby deve affrontare contemporaneamente stampa 3D, elettronica, programmazione, cablaggio e meccanica.
È proprio questo che rende il progetto interessante dal punto di vista didattico. Assemblare una semplice custodia per ESP32 insegna relativamente poco sulla produzione additiva come tecnologia funzionale. Costruire un sistema nel quale una filettatura stampata deve muovere un carrello obbliga invece a comprendere giochi, attrito, orientamento degli strati e precisione dimensionale.
Allo stesso modo, usare quattro nodi wireless richiede di comprendere come dispositivi differenti debbano riconoscersi, scambiarsi dati e reagire agli eventi.
Pocket Derby combina quindi diverse discipline in un oggetto il cui funzionamento rimane immediatamente comprensibile: una biglia entra nel controller, un sensore rileva il punteggio e un cammello avanza.
Un buon esempio di stampa 3D funzionale in ambito maker
Pocket Derby non introduce una nuova tecnologia di additive manufacturing e non punta a sostituire un prodotto industriale esistente. Il suo interesse deriva piuttosto da come utilizza in modo coerente gli strumenti ormai disponibili nel mondo maker.
Una comune stampante FDM può realizzare contenitori, meccanismi print-in-place, supporti per PCB, guide, carrelli, filettature e perfino parte degli attuatori lineari. Un ESP32 può occuparsi contemporaneamente di sensoristica, logica di gioco e comunicazione wireless. ESP-NOW consente di mettere in rete le postazioni senza dipendere da un’infrastruttura esterna.
Il risultato è un dispositivo che sarebbe considerevolmente più difficile da costruire in casa utilizzando esclusivamente componenti commerciali standard.
Naturalmente una barra filettata FDM non sostituirà una vite di precisione in un sistema industriale e una clip in PLA non avrà necessariamente la durata di un supporto progettato per migliaia di cicli. Ma Pocket Derby utilizza queste soluzioni esattamente dove le loro prestazioni sono sufficienti.
È probabilmente questa la lezione più interessante del progetto. La stampa 3D non deve necessariamente produrre ogni componente nel modo tecnicamente migliore possibile: può produrlo nel modo sufficientemente preciso, economico e personalizzabile per l’applicazione reale.
In Pocket Derby la manifattura additiva passa così dal ruolo di semplice strumento per creare l’estetica di un gioco a quello di vera tecnologia costruttiva. I cammelli avanzano perché sensori, ESP32 e software decidono quanto devono muoversi, ma il movimento diventa fisicamente possibile grazie a una trasmissione nella quale anche vite, madrevite, carrello e supporti nascono direttamente sul piano di una stampante 3D.
