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Diversão com G-Code

Passamos brevemente pelo que é o G-Code em capítulos anteriores, mas não há como negar que o conhecimento desta ‘linguagem de máquina’ é essencial ao profissional de impressão 3D em todos os níveis, desde identificar e resolver problemas até aumentar a qualidade de suas impressões.

Em todos os momentos, será útil que o leitor possa avaliar o arquivo gerado pelo fatiador (geralmente com extensão .gco ou .gcode). Recomendamos que a cada receita aplicada o leitor grave o arquivo e o abra em algum editor ou visualizador de texto puro (gedit no Linux, wordpad no Windows, TextEdit no Mac OS X). Se o fatiador usado for o Slic3r, a seguinte configuração deve ser ligada:

Figure 1. No Slic3r, esse ajuste liga os "comentários" no g-code, isto é, dá informação de contexto (onde começam camadas, onde começa brim ou raft, onde é retração, etc.). Isso torna a leitura do g-code muito mais fácil. Ele vem desligado pro default, para o g-code ficar compacto; outros fatiadores colocam comentários sem oferecer a opção. Ter comentários no g-code também auxilia no pós-processamento.

Para os propósitos deste capítulo, é desejável que o leitor use um controlador de impressão (print host) para testar os comandos e ver sua saída. É importante também ter em mente que são comandos que vão mexer diretamente com o hardware, e um comando errado pode muito bem afundar o bico na mesa, subir um componente para temperaturas excessivas ou provocar acidentes de outros tipos, portanto se aconselha que o leitor fique sempre pronto pra desligar a impressora caso perceba que algo do gênero está prestes a acontecer.

O controlador de impressão usado para ilustrar os exemplos aqui será o pronterface da suite printrun, que pode ser baixado de http://www.pronterface.com/#download — este controlador de impressão é simples, autocontido e tem "macros" associáveis a botões.

Figure 2. Aspecto do pronterface com um arquivo de g-code carregado (representado no painel central) e ligado à impressora 3D. O painel mais à direita são os comandos de G-Code interativos, o painel mais à esquerda são as temperaturas e controles manuais de eixo. A interface e velocidade de conexão são as mesmas usadas no capítulo da configuração do Slic3r, no caso /dev/ttyUSB0 (Linux) e 115200 bps. O comando dado, M117, exibe uma mensagem no painel LCD da impressora.

Uma introdução aos comandos G-Code

Até agora mostramos muitos exemplos de código e mesmo falamos alguns comandos, mas não dissemos o sentido deles.

O G-Code foi criado no MIT na década de 1950, com as primeiras CNCs. Nasceu para ser usado principalmente por cartões perfurados — somente mais tarde sendo feita em texto comum - que passavam instruções pontuais para as máquinas executarem: vá para a posição X "tal", a posição Y "tal", com velocidade "tal", e baixe o instrumento; percorra mais 20 unidades positivas no eixo X na mesma velocidade; suba o instrumento e o desligue.

Não era essencial que humanos entendessem a "linguagem" e portanto, diferente das linguagens de programação que usamos hoje em dia que usam mnemônicos em inglês para nos lembrarmos das palavras-chave ("print", "echo", "for", "while", "read", etc.), os comandos são compactos e representados por uma letra seguida de um número: "G"; por exemplo, G28.

Os comandos "G", aliás, foram os primeiros comandos do G-Code. São chamados de "comandos preparatórios". Diferentemente de outras linguagens com padronização oficial e comitês de decisão, o G-Code é uma linguagem extraordinariamente variada, com comandos e até a sintaxe dependendo muito de implementação específica. Nas impressoras 3D de mercado, por exemplo, os comandos "G" são usados para operações herdadas das CNCs, e as outras operações são implementadas por comandos "M", como “M117”. Os comandos "M" também são chamados de "funções miscelâneas". Nosso extrusor ou bico não tem esse nome no G-Code; nas CNCs, era uma ferramenta como broca ou serra, e ferramenta em inglês é "Tool"; o comando de G-Code que seleciona ferramentas é "T" seguido da numeração da ferramenta, começando por 0 (o primeiro extrusor é selecionado com T0, o seguindo com T1, etc.).

A sintaxe do G-Code é uma única linha de qualquer tamanho, no seguinte formato:

<número de linha opcional> <comando> <parâmetros do comando> <checksum> <comentário>

Os espaços são opcionais e ignorados, inclusive no meio de comandos. Uma linha como G1_X100.500_Y109.500_E0.9516_F369 (com "_" no lugar de espaço para melhor visualização) será interpretada exatamente como G1X100.500Y109.500E0.9516F369 ou ainda G_1X10_0._500Y109.5_00E0.9516_F36_9.

• Número de linha: normalmente nos códigos de impressoras 3D não são usados, mas são suportados pela maioria dos softwares apesar de desencorajados. O número tem que ser o primeiro campo da linha e precedido de "N", além de sequencial: se a primeira linha começa com "N1", a segunda deve ser "N2". A utilidade desses números é primariamente para estruturas de loops e condicionais, que os firmwares de impressora 3D atualmente nem mesmo suportam. Por isso não trataremos os comandos IF, GOTO, WHILE, os registradores e as expressões condicionais de G-Code.

• Comando: É a palavra-chave que vai declarar a ação a ser tomada, com ou sem argumentos. O G-Code não aceita mais de um comando por linha. Nas impressoras 3D, estamos limitados a três comandos: G, M e T.

• Parâmetros: Assim como os comandos, os parâmetros são dados por uma letra seguida por um número (positivo ou negativo; os negativos, obviamente, começam com o sinal de "-"). Os tipos de parâmetro mais comuns passados para comandos são:

  • S era usado originalmente em CNCs para designar a velocidade (speed) de rotação, mas em impressoras 3D este parâmetro não tem esta função. Ele é usado como um parâmetro genérico para distância ou temperatura, sendo usado em comandos de retração e ajuste de hotend e mesa.

  • R de retract, velocidade adicional ligada à retração, usada em poucos firmwares.

  • F de taxa de alimentação (feedrate), sendo usado nas impressoras 3D para designar velocidade. A unidade utilizada dependerá do comando e da configuração do firmware.

  • T é em poucos firmwares usado para feedrate de recuperação da retração. Note que aqui T é parâmetro, não comando.

  • X, Y e Z: coordenadas/distâncias. X10 Y5 Z30*, por exemplo, significa 10 unidades em X, 5 em Y, 30 em Z. O significado dessas coordenadas dependerá da configuração e do comando — por exemplo, podem ser coordenadas absolutas ou relativas à posição atual da ferramenta.

  • E: quantidade de filamento do extrusor.

  • A, B e C: coordenadas/distâncias angulares ou rotacionais. Não usadas em impressoras 3D.

  • P: parâmetro de uso geral, sem significado predefinido, para comandos variados.

• Checksum: É um campo que contém um asterisco seguindo de um número de 0 a 255. Este número é calculado a partir de todos os caracteres da linha atual até antes do asterisco, e serve para em conexões com ruído fazer uma verificação simples se todos os caracteres chegaram corretamente. Não é usado em impressoras 3D modernas.

• Comentário: Um campo que começa com ponto-e-vírgula (;) e é totalmente ignorado pelo interpretador de G-Code. Serve simplesmente para humanos entenderem o código. Uma linha de G-Code pode ser composta somente de comentário, sem comandos.

Note que alguns comandos podem retornar uma mensagem que pode consistir de uma ou mais linhas no mesmo "terminal controlador", como um comando que peça a versão do firmware ou o estado atual do extrusor.

Considerando que na prática não usaremos números de linhas e checksums e que usaremos espaços para ficarem mais legíveis, os comandos de g-code são assim:

Comando parâmetros ; comentário

Exemplo:

G1 E-0.5 F1200 ; ooze retract

O G1 é um comando de movimentação. O que ele vai movimentar, neste caso, será determinado pelos parâmetros. Neste caso, o parâmetro “E” nos diz que é 0,5mm do filamento, mas com o sinal de menos, significando que ele está retornando e não avançando com o filamento; e com a velocidade dada por F1200, que é 1200 mm/min (20 mm/s). O comentário nos esclarece que isto é um "ooze retract", ou seja, uma retração para evitar escorrimento.

Agora que entendemos a sintaxe, portanto, vamos aos comandos. Comecemos pelos comandos G mais básicos.

• G0 e G1 — são os comandos de movimento. Em seu passado de CNC, o G0 era movimento "rápido" (na velocidade máxima suportada pela máquina, equivalente ao travel) enquanto o G1 era o movimento linear controlado. Em quase todos os firmwares de impressoras 3D de mercado, no entanto, o G0 e o G1 são exatamente o mesmo comando, implementados como sinônimos e tendo, obviamente, os mesmos parâmetros (curiosamente, fatiadores como Cura e MatterControl ainda geram g-code que para alguns movimentos usa G0, para outros G1). O comando tem 6 parâmetros possíveis; nem todos precisam ser colocados, mas é preciso providenciar pelo menos um. São eles, onde n é o valor numérico (inteiro ou racional) que segue:

  • Xn: A posição para a qual mover o eixo X.

  • Yn: A posição para a qual mover o eixo Y.

  • Zn: A posição para a qual mover o eixo Z.

  • En: A quantidade de plástico a extrudar entre o ponto inicial e final do movimento, por default em unidade de comprimento de filamento que entra (mm, por exemplo).

  • Fn: A velocidade (por minuto) deste movimento.

  • Sn: flag para ativar a verificação do endstop. Com S0 (default), o endstop é ignorado, isto é, o firmware não vai parar se o fim de curso for ativado. Com S1, o movimento pára quando o fim de curso de qualquer eixo for detectado.

Se você já se perguntou sobre a denominação de "5D firmware" nas opções de G-Code do Simplify3D, ela se refere a este comando — os 5 parâmetros ou "dimensões" X, Y, Z, E e F. Implementações velhas dos comandos usavam menos parâmetros e o movimento era quebrado em duas partes. Quase todo firmware existente hoje em dia é 5D.

O movimento do G0/G1 é "interpolado" entre os pontos. O que isso quer dizer é que ele calcula uma linha reta no espaço entre a origem e o destino (a menor distância entre dois pontos). Devido ao modo como a impressão 3D funciona, no entanto, com camadas horizontais, comandos G0/G1 que envolvem o eixo Z são raros, a maioria funcionando em um plano — nesse caso o Z é simplesmente omitido.

Exemplos:

G1 X20 Y20 F180 ; vai para X 20, Y 20 na velocidade de 180 unidades
                ; por minuto sem extrudar.

G0 X30 Y30 Z30 F180 E0.8 ; vai para X 30, Y 30, Z 30 na velocidade
                         ; de 180 unidades por minuto extrudando
                         ; 0,8 unidades de comprimento de filamento
                         ; nesta trajetória.

Parece um comando simples o suficiente, não? Mas existem algumas peculiaridades a se notar, que valem também para outros comandos:

1. Pra começar, preste atenção que o parâmetro de velocidade toma como entrada a unidade por minuto de movimento. Isto está em contraste com a configuração da maioria dos fatiadores, que coloca tais velocidades em comprimento por segundo. É comum o usuário que começa a usar g-code manualmente se esquecer de converter e não entender o resultado.

2. Qual comprimento, afinal, ele usa? A maioria dos firmwares usa como default o sistema métrico para comprimento (milímetros), que pode ser mudado para o sistema imperial (polegadas) com o comando G20, e mudado de volta para milímetros com G21. Essa mudança fica somente na RAM da impressora, e volta ao default quando desligada.

3. Se você não colocar a velocidade, qual valor o firmware adota? A maioria dos softwares adota a política "pegajosa" (sticky), isto é, retém o último valor usado para o comando. Se você especificar, sem mais nenhum parâmetro, G0 F600 e logo depois G1 X40 Y10 (lembre-se, G0 e G1 são o mesmo comando), ele vai para a posição X 40, Y 10 a 600 milímetros por segundo.

4. As coordenadas dadas são em relação à posição que o extrusor está ou em relação ao ponto (0,0,0) da impressora, que definimos em seção anterior? Assim que é ligada, o default dos firmwares é usar a coordenada absoluta, isto é, se você manda G1 X40 Y10 Z20, o extrusor sairá de qualquer coordenada em que estiver para ir à coordenada (40, 10, 20) em relação à origem. Para mudar este comportamento, você usa o comando G91, que interpretará as próximas coordenadas como relativas, isto é, em relação ao ponto atual; se seu extrusor estiver na coordenada (10,10,10) e você enviar G91 e depois G1 X40 Y10 Z20, ele vai ser dirigir a (10+40, 10+10, 10+20) = (50, 20, 30). No entanto, isto só funciona se a origem tiver sido determinada, pelo procedimento chamado de homing (dado pelo comando G28); se você mandar o comando de coordenada absoluta antes do homing, o comportamento é indeterminado e dependente de configuração e firmware. Em deltas com Marlin, por exemplo, por segurança o extrusor não se move nessas condições. Para voltar ao modo absoluto, se usa G90. Veja que tais modos não valem para as coordenadas do extrusor — ele tem seu próprio status, ajustado para absoluto com o G-Code M82 (default) e para relativo com o M83.

Figure 3. O movimento relativo no comando G1. Estando na coordenada espacial X=2, Y=7, Z=5, o comando G1 X7.0 Y-2.0 Z-2.0 se desloca para a coordenada X=9, Y=5, Z=3. Os pontos decimais não são necessários mas é considerado boa prática. Para se chegar ao mesmo destino usando coordenadas absolutas (G90), bastaria usar G1 X9.0 Y5.0 Z3.0.

• G2 e G3 são comandos de movimentação como G0/G1 mas para arcos, como descritos na seção sobre o problema dos círculos.

• O G4 é um comando de pausa por tempo. Para uso interativo de G-Code não tem realmente utilidade, mas inserido em um arquivo .gcode de impressão pode servir para permitir que um elemento esfrie ou aqueça, ou até dar tempo para haver intervenção do operador (apesar que, neste caso, se a máquina tiver um painel interativo, serão preferíveis os comandos M226 ou M600). Parâmetros do G4:

  • Pn — tempo em milissegundos para a pausa.

  • Sn — tempo em segundos para a pausa.

G4 P10000 é equivalente a G4 S10.

• G10: comando para retração de firmware, por default não usado pelos fatiadores (que implementam a retração usando G1). Usa os ajustes colocados pelo comando M207.

• G11: "unretract" (volta da retração) por firmware, por default não usado pelos fatiadores (que implementam o unretract usando G1). Usa os ajustes colocados pelo comando M208.

• G20: passa a interpretar as unidades usadas nos parâmetros como polegadas. A configuração é perdida quando a impressora é desligada.

• G21: passa a interpretar as unidades usadas nos parâmetros como milímetros. A configuração é perdida quando a impressora é desligada.

• G28: Implementa o homing. Quando a impressora 3D é ligada, ela não "sabe" em que coordenadas o extrusor está posicionado. Quando o comando G28 é enviado para a impressora 3D cartesiana, ela vai até o fim de curso de cada eixo, deixando no final do procedimento o extrusor na coordenada X=0, Y=0, Z=0 — a "origem". No caso das impressoras 3D delta, o G28 leva os braços até o topo de cada torre, terminando com o effector no centro da mesa no plano XY e na maior altura alcançável da impressora (Z máximo) — (0,0,Zmax). De ambos os modos, a impressora passa a "saber" em que coordenada está, e se os próximos movimentos do extrusor ou effector forem dados por ela, ela continuará tendo esta referência.
  O G28 não necessariamente vai até o fim de curso de todos os eixos. Se forem passados parâmetros de eixos, ele vai até o fim de curso dos parâmetros (o valor numérico do parâmetro é ignorado). Por exemplo, G28 X0 Y0 vai até o fim de curso do eixo X e Y. É importante notar que o comportamento do G28 não é muito padronizado e existem firmwares que podem fazer o homing completo mesmo quando se especificam os eixos — o que torna um risco colocar esse código na configuração de G-Code de fim de impressão. Alguns firmwares usam "flags" de compilação para alterar o comportamento do homing — por exemplo, o Marlin tem uma flag Z_SAFE_HOMING que faz com que o comando primeiro faça homing em X e Y, então vá ao centro da mesa, baixe a sonda de autonivelamento e a use para o homing em Z. Reiterando os parâmetros:

  • Xn — vai até o fim de curso do eixo X. n é ignorado.

  • Yn — vai até o fim de curso do eixo Y. n é ignorado.

  • Zn — vai até o fim de curso do eixo Z. n é ignorado.

Figure 4. Homing de uma impressora 3D cartesiana (Prusa Mendel, à esquerda) e uma delta (Kossel Mini, à direita). Enquanto na cartesiana o homing referencia o ponto mínimo de todos os eixos, na delta o Z achado é a altura máxima, pois o fim de curso é no topo. Se a delta não tiver autocalibração de mesa, a configuração de um "Zmax" com valor errado a fará ficar com posicionamento vertical igualmente errado. A delta sempre faz homing em todos os postes, não faz homing “por eixo” como uma cartesiana.

• G29, G32, G33 e os vários modos de autonivelamento de mesa — Neste ponto o leitor já deve estar razoavelmente confortável com a noção de autonivelamento de mesa: uma chave ligada ao extrusor detecta a distância dele à mesa em vários pontos, calcula a inclinação da mesa e compensa, via software, no cálculo das coordenadas passadas ao G-Code. Certo? A princípio sim, e este procedimento surgiu nos firmwares através do comando G29. No entanto, enquanto o Marlin continuou a estender esse comando para suas extensões de autonivelamento, o Repetier Firmware deixou nele só a funcionalidade mais básica, reservando o comando G32 para a avançada, e ainda passou a utilizar o G33 (utilizado no Marlin para calibração automática de deltas) para sua "distortion correction", equivalente à mesh leveling do Marlin. Já o Smoothieware usa G32 para autocalibração de parâmetros de delta, e G31 e G30 para o autonivelamento, nem mesmo tendo o G29.
  Confuso? Você não é o único! Mas, colocando de maneira tabulada:

  • O Smoothieware não tem o comando G29.

  • O Repetier Firmware tem o comando G29, mas ele não faz autonivelamento verdadeiro — ele apenas mede Z em 3 pontos e tira um valor médio, não inclinando a impressão subsequente.

  • O Marlin Firmware tem o comando G29 mais sofisticado e configurável de todos. E na versão 1.1.0 ele tem ainda um novo modo chamado de "Nivelamento de Mesa Unificado" que, se ligado, redefine o G29 e adiciona *muito* mais parâmetros e configurabilidade ao comando.

Note

Sonda de autonivelamento O autonivelamento é associado a uma sonda (chave) no extrusor. Essa sonda é que vai sentir a distância a que estará da mesa em cada um dos pontos. Se a sonda fica abaixo do nível do bico, ela precisará ser abaixada somente durante a sondagem e recolhida no final, para não bater na mesa quando a impressão começar. Ela pode também estar acima do nível do bico e não precisar ser recolhida, como os sensores indutivos. Mas em praticamente todos os casos ela não fica no nível do bico, e a diferença de altura entre ela e o bico precisa ser informada na configuração, assim como outros detalhes técnicos — qual o pino do microcontrolador que usa, o tipo de sinal (positivo ou negativo), que coordenadas sondar, etc. Essas configurações todas são definidas na compilação do firmware e geralmente também se tornam acessíveis pela EEPROM. Esses detalhes variam enormemente com o hardware e o firmware usado.

Nas impressoras que têm o autonivelamento, o G29 é colocado no "Start G-Code" do fatiador. Para funcionar ele exige que a impressora já saiba as coordenadas do extrusor, ou seja, todo comando de autonivelamento vai exigir que o homing (G28) já tenha sido feito, então no Start G-Code haverá o G28 e depois o G29 (ou G32 no caso do Repetier). Algumas configurações colocam o G29/G32 apenas depois de a mesa ter atingido a temperatura-alvo, pois ela se expande ligeiramente com o aquecimento e sondá-la já expandida evita distorções.

O autonivelamento feito desse jeito é sempre necessário em toda impressão, pois a inclinação da mesa fica na RAM — memória volátil - do microcontrolador e não é gravada. Adicionalmente, ela é resetada cada vez que se faz homing (G28), precisando ser refeita.

• Modos de detecção de desnível: O autonivelamento funciona de uma entre três formas:

  1. Mede-se o Z em 3 pontos e calcula-se a média (G29 do Repetier);

  2. Mede-se o Z em 3 a 8 pontos e calcula-se um plano inclinado que passa naqueles pontos (autonivelamento padrão);

  3. Mede-se o Z em vários pontos da mesa e calcula-se uma malha de planos inclinados interligados que mapeia as "imperfeições" da mesa. Este método se usa quando há deformação da mesa.

• Modos de correção do desnível:

  1. Usa-se uma média dos níveis de Z para a primeira camada. Se a diferença for grande entre os desníveis, poderá fazer o bico raspar na mesa. Ou ainda fazer com que o filamento não adira o suficiente. É usado apenas no G29 do Repetier Firmware.

  2. Com o plano de desnível detectado no método 2, toma-se uma de duas ações:

     1. Calcula-se por software uma transformação de inclinação (rotação) a ser adotada para cada coordenada, para compensar a inclinação;

     2. Usam-se motores na impressora 3D para corrigir/rotacionar a mesa para que fique paralela à direção de impressão.

  3. Com o mapa de desnivelamento do método 3,

     1. faz-se uma transformação diagonal em cada paralelepípedo do mapa; ou

     2. faz-se uma transformação diagonal regressiva em cada paralelepípedo do mapa, tornando-se mais paralela à medida que se aproxima de uma altura H.

Figure 5. Ilustração dos métodos de correção da mesa. (1) é a mesa reta, sem imperfeições, com a peça impressa. (2) é a mesa inclinada, seja por transformações de software para compensar as coordenadas, seja por ajuste da mesa por motores. (3) é transformação por distorção, para a impressão acompanhar o relevo da mesa; e (4) é a transformação por distorção compensada até uma altura H, a partir da qual a peça segue em dimensões normais.

Comandos M de interesse: Os comandos M são extensões do G-Code inicialmente usadas para elementos particulares das impressoras 3D em relação às suas parentes CNC, mas logo se tomaram mais que isso, controlando até motores. Aqui uma lista dos mais úteis:

• M0 — parada incondicional, esvaziando o buffer e desligando motores e elementos de aquecimento.

• M18: desabilita todos os motores de passo, que em caso contrário permanecem ligados e prendendo o movimento. Pode ser útil, por exemplo, caso você precise mexer no carro X manulmente e ver se está deslizando suavemente no trilho. Para a impressora voltar a energizá-los, use M17.

• M104 Snn: ajusta a temperatura-alvo do extrusor atual para nn, sem bloquear o prompt.

• M106 Pm Snn: ajusta a ventoinha de número m para a intensidade nn de 0 a 255. M107 a desliga.

• M109 Snn: ajusta a temperatura-alvo do extrusor atual para nn e bloqueia o prompt, esperando que ele chegue à temperatura para liberar.

• M114: mostra posição atual (X, Y, Z e E)

• M115: mostra versão e capacidades do firmware.

• M119: mostra status dos endstop (acionados ou não).

• M140 Snn: ajusta a temperatura-alvo da mesa para nn, sem bloquear o prompt.

• M190 Snn: ajusta a temperatura-alvo da mesa para nn, bloqueando o prompt até que seja atingida.