Labalek (Custom 3D Printer)

Labalek é um ecossistema completo e autoral criado para o desenvolvimento de uma impressora 3D de resina customizada. O projeto une engenharia mecânica, eletrônica e programação de firmware de ponta a ponta.

Para organizar o desenvolvimento, a arquitetura do projeto foi dividida em repositórios especializados dentro da organização Labalek no GitHub.

💡 A Ideia e o Desenvolvimento

Tudo começou em parceria com dois amigos. Estávamos utilizando uma impressora FDM do tipo Delta e começamos a cogitar o desenvolvimento de uma impressora DLP (por resina). A partir dessa ideia, veio a ambição de criar uma impressora impressa: queríamos produzir o máximo de peças estruturais e mecânicas usando a própria impressão 3D, com foco em manter o custo de fabricação o mais baixo possível.

Após estudarmos a viabilidade, chegamos à conclusão de que uma impressora DLP funcional poderia ser controlada de maneira eficiente por um hardware simples e acessível:

• Um microcontrolador ESP32-WROOM.
• Um leitor de cartão Micro SD para carregar os arquivos de impressão.
• Um único motor de passo Nema 17 (com o driver correspondente).
• Duas telas: uma tela LCD TFT de controle para a interface do usuário e uma tela LCD de alta resolução atuando como máscara do sistema de projeção de imagem (prototipada inicialmente com a Wanhao D7 2K, mas posteriormente abandonada).

Esses componentes são de baixo custo, simples de programar e extremamente fáceis de encontrar no mercado maker, provando que é possível construir sistemas de hardware embarcado complexos sem orçamentos elevados.

⚙️ Especificações e Funcionamento Técnico

Com base nas especificações oficiais do projeto (cujo relatório completo de requisitos está disponível em PDF nos links abaixo), a impressora foi projetada sob as seguintes características:

• Princípio de Funcionamento (MSLA): A impressora utiliza o método de estereolitografia mascarada (MSLA/DLP). A luz UV é projetada através de um painel LCD (como o Wanhao D7 2K no protótipo, do qual foi removido o backlight) que funciona como máscara óptica ativa. Ao controlar individualmente a transparência de cada pixel da tela, o sistema deixa a luz passar de forma seletiva para solidificar zonas específicas da resina líquida fotossensível. Nota: A tela Wanhao D7 2K foi posteriormente abandonada no projeto final devido ao fato de o conector FPC de 50 pinos ser extremamente complexo e difícil de soldar manualmente, e também pelo custo elevado das placas controladoras.
• Qualidade Sub-pixel (Grayscale do MIT): Para melhorar a qualidade e precisão de cura nas bordas de cada camada projetada, foi implementado um algoritmo de escala de cinza (grayscale) baseado em pesquisas do MIT. Este algoritmo permite interpolar a intensidade da luz em passos de sub-pixel, alcançando uma definição fina equivalente a meio pixel de precisão, atenuando drasticamente marcas de camadas nas peças impressas.
• Interface Dual Screen: O sistema opera com duas telas físicas simultâneas: uma tela LCD TFT de controle (controlada via driver ILI9325D) que serve de interface tátil do usuário para selecionar arquivos, calibrar o nivelamento e verificar logs; e a tela LCD de projeção que atua exclusivamente como o modulador óptico (máscara) para o sistema de impressão.
• Controle de Segurança: Sensores verificam se a tampa da impressora está totalmente fechada antes de acender os LEDs UV, protegendo o usuário de radiação nociva.

🔌 Protocolos de Comunicação Utilizados

• GPIO: Responsável pelo acionamento de micro-passos do motor Nema 17, leitura de fim de curso (endstops), controle de coolers e interrupções dos sensores de segurança.
• MIPI DSI / I2C: Protocolo I2C para comunicação com a tela de interface do usuário, e barramento de vídeo para a tela de projeção LCD 2K.
• SPI: Barramento de altíssima velocidade para leitura estável de arquivos de impressão 3D diretamente de dois slots de cartões SD (um interno e um externo).
• UART: Porta serial para comunicação direta com computadores, transferência de firmware e portas dedicadas para logs de debug e programação (flash).

🎛️ Design de Hardware da Placa Mãe (PCB)

Desenvolvemos uma placa mãe dedicada sob medida, compacta e de fácil manutenção:

• Dimensões da Placa: Formato quadrado compacto de 110 mm x 110 mm.
• Alimentação: Barramento duplo de 5V e 12V para alimentar o microcontrolador, o LCD e a matriz UV LED.
• Recursos Integrados: Conversor USB-UART integrado, caixa de monitoramento com LEDs de diagnóstico rápidos, conectores GPIO expandidos para modulação por largura de pulso (PWM) e slots de depuração física para testes em bancada.

📊 Lista de Materiais (BOM)

O desenvolvimento da impressora passou por várias iterações. Para cortar custos, optamos por imprimir em 3D tudo o que fosse possível.

1. Peças Mecânicas e Estruturais Utilizadas (BOM Final)

Para baratear o projeto, eliminamos perfis de metal, suportes e cantoneiras de alumínio, imprimindo tudo em 3D. O custo das peças mecânicas essenciais e insumos utilizados somou 58,64€:

* Nota: O custo do filamento gasto para imprimir estas peças e o chassis está contabilizado nas linhas de material acima.

2. Componentes Substituídos (Alternativas Impressas e DIY)

Para baratear o custo final de fabricação, os seguintes componentes comerciais foram substituídos por peças impressas em 3D ou soluções caseiras:

• Chassis / Perfis de Alumínio 2020 (Economia de 17,76€): Substituímos perfis de alumínio (9,31€), suportes de canto (2,80€) e porcas T-Nuts (5,65€) por um chassis estrutural totalmente projetado e impresso em 3D em PLA.
• Acoplador de Motor Metálico (Economia de 3,96€): Substituído por um acoplador flexível impresso em 3D feito em PETG.
• Cuba de Resina / VAT: Substituída por uma cuba de resina impressa em 3D em PETG.
• Filme FEP Comercial (Economia de 12,36€): Substituído por filme FEP caseiro montado de forma DIY.

3. Componentes Abandonados (Citados para Histórico)

Durante o desenvolvimento, a tela de projeção LCD Wanhao D7 2K 5.5" (25,56€) e seu conector flat FPC JAE (0,75€) foram adquiridos para testes, mas posteriormente descartados. O conector FPC de 50 pinos provou-se extremamente complexo de soldar manualmente, e o custo elevado das placas controladoras de vídeo tornou o sistema inviável para uma abordagem de baixo custo.

4. Componentes Eletrônicos da Motherboard (BOM Oficial)

De acordo com o Cahier des Charges (PDF) da placa-mãe LaBalek:

📂 Estrutura do Ecossistema

🔌 labalek/hardware

Contém os esquemáticos elétricos, diagramas de conexão e especificações das placas controladoras, drivers de motor de passo (como TMCs) e sensores de temperatura necessários para alimentar a impressora.

💻 labalek/software

Repositório dedicado ao firmware e controle de movimentação. Envolve a lógica de interpolação dos eixos cartesianos, controle de temperatura via malha PID, processamento em tempo real de instruções G-Code e comandos de extrusão de filamento.

🔩 labalek/3d-files

Arquivos de modelagem física e CAD (STL/STEP) das partes mecânicas projetadas sob medida (como suportes de motor, extrusores e fixações estruturais) para serem impressas em 3D e montadas no chassi físico.

✂️ labalek/slicer

Uma versão customizada de um fatiador (slicer) leve adaptado para impressoras DLP (tecnologia de projeção por resina), derivada de um fork do Formlabs/hackathon-slicer.

📸 Galeria do Projeto

Confira abaixo as fotos físicas do processo de desenvolvimento da impressora Labalek, estruturas impressas e montagens. Clique em qualquer item para ampliar.

🔗 Links Oficiais & Fontes

• Organização no GitHub: github.com/labalek
• Documentação do Projeto (PDF Original em Francês): /LaBalek.pdf

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