Bouw een Arduino-gestuurde 3D Draadbiegmachine: Stap-voor-Stap Handleiding

Overzicht

Deze 3D draadbiegmachine is een typisch mechatronisch systeem (mechanica, elektronica, software). Het principe: draad loopt door uiteenlopende rollen (rechtzetten), wordt door een stappenmotor precies voorgezet naar het buigmechanisme (stappenmotor + servo voor buigen). Een derde stappenmotor (Z-as) roteert het buigmechanisme om de draad heen voor 3D-vormen. Bestuurd door Arduino op custom PCB.

Software: custom functies voor ster, kubus, staandertje, en handmatige modus via seriële monitor.

3D-model

Ontworpen in 3D-software. Downloadbaar op Thangs. Tandenwielen, lagerblokken, koppelingen geprint. Creality CR-10 leverde uitstekende kwaliteit.

Machine bouwen

Basis: 8 mm MDF, 18 mm multiplex, cirkelzaag, houtlijm, schroeven, 90° klemmen, F-klemmen.

Railsysteem (Z-as)

Aluminium buizen: horizontaal 16 mm diameter (2×27 cm), verticaal 20 mm (3×45 cm). In 18 mm hout: gaten met Forstnerboor. Lagers 6202 (35×15 mm) in 3D-geprinte kussens. 15 mm holle as (koperen buis, ~30 cm) door lagers = Z-as. Tussen lagers: 3D-print tandwiel (module 1.5, 30 tanden, M3 moeren/schroeven voor vastzetten).

Z-as stappenmotor (NEMA 17) op 3D-print beugel, 18-tands tandwiel. Beugel heeft gleuven voor tandwielafstand. Beugel op bovenplaat monteren.

Voedermechanisme

Stappenmotor (NEMA 17) direct op bovenplaat. 3D-print koppelstuk met koperen buis als voederwiel. Teegen: hefboom met lager, stuk multiplex met T-moer en bout voor instelbare klemkracht.

Draadrechtzetting

Drie M8 bouten met multiplexplaat. Rollen: lagers + 3D-print geneste ringen. 3 rollen aan één kant, 2 aan de andere (gleuf in hout voor boutkoppen). Met moeren vastspannen. Extra houtstukken voor/na rollen als draadgeleiders.

Buigmechanisme

MDF-plaat: NEMA 23 stappenmotor (38 mm gat). 18-tands tandwiel (module 2.5) op motoras. Gepaard met 30-tands tandwiel met geïntegreerde plaat voor MG996R servo. Servo beweegt tandstang (pin) die uit tandwiel steekt → buigt draad. Lager op tandwiel (epoxy), koperen buis op tandstang (contactvlak). Tandstang + servo vastzetten.

Buigmechanisme op Z-as monteren

Twee 3D-print asklemmen: aan buigplaat (M6), om Z-as (koperen buis) heen, vastspannen. Alles draait vrij.

Afwerkingen

3 mm mondstuk op as (draaduitgang). Micro-limietschakelaar onder buigmechanisme voor homing.

Schakelschema

3 stappenmotors → 3 DRV8825 drivers. 12 V / ≥3 A voeding. Servo (MG996R) via aparte LM7805 5 V regelaar (Arduino 5 V regelaar onvoldoende). Limietschakelaar met pull-up op digitale pin.

Componenten

• Stappenmotor NEMA 17 (×2)
• Stappenmotor NEMA 23 (×1)
• DRV8825 Stappenmotor driver (×3)
• Micro limietschakelaar
• 12 V 2 A adapter (min. 3 A aanbevolen)
• Voedingsjack
• Arduino board

PCB-ontwerp

Custom PCB in EasyEDA (dubbelzijdig). Stappenmotorresolutie-pinnen, extra limietschakelaar, vrije digitale/analoge pinnen. Besteld bij JLCPCB (sponsor). Kwaliteit prima.

PCB assembleren

Pinheaders solderen (voor makkelijk demonteren). Kleine componenten (condensators, weerstanden, LM7805, klemblokken) direct op PCB. Stappenmotor drivers en Arduino prikken. Voedingsconnector + schakelaar aan klemblokken. Motorkabels aan drivers + PCB. Servo op D2, gevoed door LM7805. Microstepping pinnen instellen (1/16 stap → juiste pinnen verbinden).

Arduino Code

Bibliotheek: AccelStepper (Mike McCauley) + Servo.h. Pinnen definiëren, variabelen.

#include <AccelStepper.h>
#include <Servo.h>
#define limitSwitch 11

AccelStepper feederStepper(1, 5, 6); // driver, STEP, DIR
AccelStepper zAxisStepper(1, 7, 8);
AccelStepper benderStepper(1, 9, 10);
Servo servo01;
String dataIn = ""; String manualStatus = "";
int count = 0; int dist;

setup(): Servo init (pin 2, 40° = pin omhoog). Max snelheid 2000. Homing: buigmotor draait naar limietschakelaar, positie 0, dan 1400 stappen terug naar startpositie (0 graden).

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(limitSwitch, INPUT_PULLUP);
  servo01.attach(2); servo01.write(40);
  feederStepper.setMaxSpeed(2000);
  zAxisStepper.setMaxSpeed(2000);
  benderStepper.setMaxSpeed(2000);
  // Homing
  while (digitalRead(limitSwitch) != 0) {
    benderStepper.setSpeed(1200);
    benderStepper.runSpeed();
    benderStepper.setCurrentPosition(0);
  }
  delay(40);
  while (benderStepper.currentPosition() != -1400) {
    benderStepper.setSpeed(-1200);
    benderStepper.run();
  }
  benderStepper.setCurrentPosition(0);
}

loop(): Seriële commando's: "manual", "star", "cube", "stand".

void loop() {
  String mode = Serial.readString();
  if (mode.startsWith("manual")) manual();
  if (mode.startsWith("star")) star();
  if (mode.startsWith("cube")) cube();
  if (mode.startsWith("stand")) stand();
}

Ster functie

5 punten. Voeden (38 mm → stappen), pin omhoog, buigen 52°, terug, voeden, pin omlaag, nieuwe beginpositie, buigen 105° andere kant, terug 63°, pin omhoog, herhalen.

void star() {
  while (count != 5) {
    int feed = 38; int feedDistance = feed * 48;
    while (feederStepper.currentPosition() != feedDistance) {
      feederStepper.setSpeed(1200); feederStepper.run();
    }
    feederStepper.setCurrentPosition(0);
    servo01.write(40); delay(200);
    int angleConst = 18;
    // Buigen 52°
    while (benderStepper.currentPosition() != -52 * angleConst) {
      benderStepper.setSpeed(-700); benderStepper.run();
    }
    benderStepper.setCurrentPosition(0); delay(100);
    // Terug
    while (benderStepper.currentPosition() != 52 * angleConst) {
      benderStepper.setSpeed(1200); benderStepper.run();
    }
    benderStepper.setCurrentPosition(0); delay(100);
    // Opnieuw voeden
    while (feederStepper.currentPosition() != feedDistance) {
      feederStepper.setSpeed(1200); feederStepper.run();
    }
    feederStepper.setCurrentPosition(0); delay(100);
    servo01.write(130); delay(200); // Pin omlaag
    // Nieuwe beginpositie
    while (benderStepper.currentPosition() != -42 * angleConst) {
      benderStepper.setSpeed(-1200); benderStepper.run();
    }
    benderStepper.setCurrentPosition(0); delay(200);
    servo01.write(40); delay(200); // Pin omhoog
    // Buigen 105° andere kant
    while (benderStepper.currentPosition() != 105 * angleConst) {
      benderStepper.setSpeed(700); benderStepper.run();
    }
    benderStepper.setCurrentPosition(0); delay(50);
    while (benderStepper.currentPosition() != -63 * angleConst) {
      benderStepper.setSpeed(-1200); benderStepper.run();
    }
    delay(100); servo01.write(130);
    benderStepper.setCurrentPosition(0);
    count++;
  }
}

Kubus en staandertje werken op dezelfde manier (stappen tellen, hoeken, Z-as rotaties). Handmatige modus: commando's via seriële monitor: f<mm> (voeden), b<graden> (buigen), z<graden> (Z-as). Negatieve waarden mogelijk.

if (dataIn.startsWith("f")) {
  dataInS = dataIn.substring(1); dist = dataInS.toInt();
  Serial.print("Feed "); Serial.print(dist); Serial.println("mm wire.");
  dist = dist * 48;
  while (feederStepper.currentPosition() != dist) {
    feederStepper.setSpeed(1200); feederStepper.run();
  }
  feederStepper.setCurrentPosition(0); delay(100);
}

Complete code aan het einde van de tutorial.

Let op

Het rechtzetsysteem werkt niet perfect: te strak → voeder verliest grip. Oplossing: sterker materiaal dan koperen buis, ander voedersysteem.

Veel bouwplezier! Vragen? Reacties hieronder.