Scheda didattica – Ponte autoportante di Leonardo: dal Codice Atlantico alla stampa 3D

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In queste settimane alcune classi seconde del nostro istituto svolgeranno un progetto presso l’LTO che unisce storia dell’ingegneria, fisica e laboratorio. Per accompagnare l’attività ho progettato insieme alla mia collega di Fisica una serie di lezioni che permetteranno agli studenti di realizzare un modellino stampabile in 3D del celebre ponte autoportante di Leonardo: una struttura che si monta senza colla, senza chiodi e senza corde, sfruttando esclusivamente geometria, attrito e distribuzione dei carichi.

L’idea è semplice: fornire agli studenti un percorso guidato di modellazione e stampa 3D, in cui ciascuno possa costruirsi il proprio ponte e personalizzarlo (lunghezza e sezione dei moduli), e probabilmente, tempo permettendo, si tenterà di realizzare una prova pratica: posizionare il ponte tra due banchi e farvi transitare un piccolo robot (probabilmente un mBot2) per verificare stabilità e capacità di carico.
Poiché gli studenti non hanno mai modellato in 3D e non sanno usare la stampante 3D ho provveduto a realizzare un modellino del ponte in modo che durante la fase di progettazione abbiano idea di cosa dovranno realizzare.

Verranno realizzate due versioni, una in legno di dimensioni grandi ed una versione da far realizzare agli studenti stampata in 3D.

Leonardo da Vinci (1452–1519) studiò e disegnò numerose soluzioni di ponti “rapidi” e trasportabili, utili in contesti civili e militari. Tra questi, il più affascinante per essenzialità è proprio il ponte militare in legno autoportante, documentato nel Codice Atlantico (Codex Atlanticus), la grande raccolta di fogli con appunti e disegni conservata presso la Biblioteca Ambrosiana.

Nel foglio comunemente citato per questo progetto (ad esempio f. 71 recto) si riconosce una struttura costruita con travi incrociate, dove ogni elemento “regge e viene retto” dagli altri: un principio che oggi, in ambito strutturale, è vicino ai sistemi reciproci (reciprocal frames).

Nel mio caso ho ricostruito il modello basandomi sul disegno e su ricostruzioni simili sviluppate da altri maker e divulgatori online, ma ho scelto una semplificazione didattica molto utile: il ponte è realizzato soltanto con due moduli ripetitivi che sono stampati in sezione in modo da accelerare la stampa, le due falde dei rispettivi moduli saranno incollate insieme.

Per chi fosse interessato e desidera realizzare il ponte potete prelevare i sorgenti per la stampa 3D seguendo il link.

Di seguito la sintesi della progettazione didattica. Agli studenti verranno consegnate schede di lavoro specifiche.

Obbiettivi didattici

Fisica

equilibrio statico e condizioni di stabilità
attrito statico vs dinamico (quando “tiene”, quando “parte”)
forze interne: compressione, taglio, (cenni di) flessione
distribuzione dei carichi e percorsi di forza nella struttura
differenza tra struttura “che funziona per forma” e struttura “che funziona per fissaggi”

Tecnologia e making

progettare pensando alla stampa 3D
gestione errori: ritiro, tolleranze, orientamento, adesione al piatto
iterazione: prototipo > test > modifica > nuova stampa

Matematica e geometria applicata

proporzioni, scale, vincoli dimensionali
relazione tra sezione e rigidezza
ragionamento parametrico: una variabile cambia il comportamento del sistema

Competenze trasversali

lavoro in team (ruoli: modellatore, slicer, collaudatore, documentatore)
documentazione tecnica (foto, note, problemi riscontrati, versione del modello)
pensiero critico: “perché questa variante regge meglio?” con dati e osservazioni

Percorso laboratoriale dalla modellazione alla stampa: struttura della lezione

Ecco una traccia che gli studenti possono seguire (in modo guidato, ma con margine di personalizzazione):

Lettura del problema (reverse engineering)
- Che cosa deve fare il ponte?
- Da quali elementi è composto?
- Quale parte è ripetuta e quale “regola” l’incastro?
Modellazione dei due moduli (CAD)
- Disegno 2D di base > estrusione
- Inserimento di incastri/sedi
- Controllo quote critiche (tolleranze minime per montaggio)
Parametri di personalizzazione
- Lunghezza del modulo (ponte più o meno lungo)
- Sezione (spessore/larghezza: rigidità vs consumo materiale)
- Eventuali micro-varianti: smussi, arrotondamenti, texture
Esportazione STL e slicing
- orientamento consigliato
- niente supporti (se progettato correttamente)
- scelta infill/perimetri in funzione della rigidità richiesta
Stampa e controllo qualità
- verifica dimensionale rapida (soprattutto incastri)
- prove: i pezzi scorrono? si incastrano troppo? sono laschi?
Montaggio e collaudo
1. montaggio su banco
2. “ponte tra due banchi” (campata reale)
3. test con carico progressivo

Perché il ponte riesce a stare in piedi

Questo ponte funziona perché combina tre idee chiave:

Incastro geometrico (vincolo di forma)
I pezzi sono progettati per “appoggiarsi” in modo coerente: la forma guida l’assemblaggio e impedisce che gli elementi scivolino via subito.
Attrito tra le superfici
Una volta in posizione, il peso dei pezzi aumenta la forza normale tra le parti e quindi l’attrito, che ostacola lo scorrimento.
Percorso dei carichi (load path)
Il carico applicato sul ponte non grava su un singolo elemento: viene “ridistribuito” lungo l’intreccio delle travi, generando una specie di arco/volta discreta. Questo rende la struttura sorprendentemente rigida rispetto al materiale impiegato.

Dal disegno storico al modello 3D: due moduli, infinite varianti

La scelta di lavorare con due soli moduli ripetitivi è perfetta per una lezione di modellazione:

riduce la complessità (due pezzi “master” invece di molti diversi);
rende immediata la logica della modularità (un concetto chiave dell’ingegneria);
abilita la progettazione parametrica: cambi una quota e ottieni un ponte diverso.

Perché sezionare i pezzi

Uno dei moduli ha una dimensione “lunga” che, su molte stampanti, può portare a:

distacco dal piatto (warping o scarsa adesione),
vibrazioni/infill poco uniforme su elementi sottili,
fallimenti verso fine stampa (quando ormai si è perso tempo).

Per questo ho adottato una soluzione semplice e molto didattica: sezionare trasversalmente il pezzo nella direzione più lunga. In pratica:

ottengo due parti più “compatte” e stabili in stampa;
riduco il rischio di sollevamento degli spigoli;
accelero la produzione di set completi per la classe.

È anche un ottimo pretesto per parlare di orientamento di stampa, adesione al piano, ritiro termico e scelte di progettazione “per la manifattura” (design for manufacturing).

Buon Making a tutti 🙂

ESP32-C3 Super Mini vs ESP32-S3 Super Mini: differenze e quale scegliere

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In riferimento al post pubblicato la scorsa settimana, mi è arrivato un messaggio da parte di un lettore: cercando la stessa schedina in rete ha notato che, oltre alla versione ESP32-C3 Super Mini, viene proposta anche la ESP32-S3 Super Mini e mi ha chiesto, che cosa cambia tra le due schede.

La domanda è più che legittima, perché a colpo d’occhio le due board sembrano quasi identiche: stesso formato compatto, stesso uso tipico in progetti IoT e didattici. In realtà le due schede si differenziano in molte cose: architettura della CPU, prestazioni, numero di GPIO disponibili, gestione USB, e (in molti modelli S3) perfino dettagli pratici come la presenza dei pad per collegare direttamente una batteria Li-Po con ricarica via USB.

In questo articolo metto quindi a confronto ESP32-C3 Super Mini e ESP32-S3 Super Mini, prima indico le differenze elettroniche (quelle che dipendono dal chip), poi evidenzio le differenze che dipendono dalla specifica schedina e dal produttore, così da capire subito quale scegliere in base al progetto e agli obiettivi didattici.

Premessa importante: “Super Mini” non è uno standard

“Super Mini” descrive un form factor molto diffuso, ma non è un nome “ufficiale” che garantisce caratteristiche identiche tra produttori.

Quindi:

le differenze C3 vs S3 (CPU, USB, risorse) sono reali e dipendono dal chip;
dettagli come LED onboard, pin esposti, flash/PSRAM, pad batteria possono variare a seconda del lotto e del venditore.

In questo post separo volutamente:

differenze elettroniche del chip;
differenze dipendenti dal produttore.

Confronto tra le due schede

Nella tabella che segue vengono indicate le differenze tra le due schede:

Aspetto	ESP32-C3 Super Mini	ESP32-S3 Super Mini
CPU	RISC-V single-core (tipicamente fino a 160 MHz)	Xtensa LX7 dual-core (tipicamente fino a 240 MHz)
Potenza percepita	ottima per IoT “snello”	migliore su web UI ricche, log, parsing, multitasking
GPIO disponibili	in genere meno margine	in genere molti più GPIO “utili”
USB	molto comoda per programmazione/debug	USB OTG (progetti USB “creativi”) + programmazione
Progetti tipici	sensori/attuatori, MQTT/HTTP, BLE semplice	progetti più “ricchi”, USB, più periferiche insieme
Batteria (su molte board)	spesso richiede gestione esterna	spesso include pad batteria + ricarica USB (dipende dal modello)

Pinout ESP32 S3 Super mini

Differenze elettroniche

CPU: single-core vs dual-core

Questa è la differenza più importante:

ESP32-C3: single-core > perfetto per progetti ripetibili, sensori e automazioni;
ESP32-S3: dual-core > più margine quando ad esempio uniamo web server + gestione rete + periferiche + log + UI; quindi con S3 possiamo gestire programmi di dimensioni più grandi e più complessi.

Utilizzo esteso dell’USB

Con C3 la USB è “comoda” perché semplifica upload e debug (senza chip USB-serial esterno);
con S3 poiché è supportato il mondo USB OTG: potete progettare dispositivi che si presentano al PC come periferiche USB (a seconda delle librerie e della configurazione).

GPIO e periferiche

S3 offre in genere:

più GPIO disponibili (più alternative di cablaggio);
più margine quando usate più bus/linee insieme (SPI, I2C, UART multiple, ecc.).

Differenze dipendenti dal produttore

LED onboard

Su molte ESP32-C3 Super Mini il LED onboard:

è su un pin specifico (spesso GPIO8),
può essere in logica invertita (active-LOW: LOW = acceso, HIGH = spento).

Per evitare confusione (e rendere gli esempi robusti tra lotti), io consiglio di dichiarare due costanti:

const int PIN_LED = 8;     // esempio tipico: verificate sul vostro modello
const int LED_ON  = LOW;   // se il LED è active-LOW
const int LED_OFF = HIGH;

void setup() {
  pinMode(PIN_LED, OUTPUT);
  digitalWrite(PIN_LED, LED_OFF);
}

void loop() {
  digitalWrite(PIN_LED, LED_ON);
  delay(300);
  digitalWrite(PIN_LED, LED_OFF);
  delay(300);
}

Se sulla vostra scheda il LED non è invertito, basta scambiare LED_ON/LED_OFF e il resto del codice rimane identico.

S3: LED RGB

Molte schede ESP32-S3 Super Mini (in generale vale per tutte quelle che ho usato ed acquistate su diversi store) includono un LED RGB (tipo WS2812) molto utile per “stati” e debug (Wi-Fi ok, errore, modalità AP, ecc.).
Attenzione: pin e presenza dipendono dalla board. Prima di copiare uno sketch per la gestione del led RGB, verificate sullo schema/pinout del vostro modello.

Batteria e ricarica

Modello ESP32-S3 Super Mini (nel mio caso acquistato su Amazon)

Su questa scheda, nello schema sono indicati i pin/pad a cui saldare la batteria. In altre parole: su questa versione è previsto il collegamento diretto di una Li-Po 1S (3,7 V nominali) tramite piazzole dedicate.
Nella maggior parte delle Super Mini S3 che supportano batteria trovate (di solito sul retro) due pad del tipo:

B+ > positivo batteria
B- > negativo batteria (GND)

In molte varianti, come quella acquistata da me, insieme ai pad batteria, è presente anche un circuito di ricarica via USB-C e un LED di stato legato alla carica (gestito dal circuito di power/charge, non via GPIO). Lo schema del venditore è sempre il riferimento migliore per capire cosa è effettivamente presente sulla tua board.

Avvertenze pratiche molto importanti

Usate solo batterie 1S (Li-Po/Li-Ion 3,7 V nominali; 4,2 V a fine carica).
Controllate la polarità prima di saldare: inversione o corto su una Li-Po può danneggiare scheda e batteria;
consiglio di non saldare direttamente la batteria al PCB, potete saldare ai pad un cavetto con connettore (es. JST) così la batteria diventa removibile e riducete stress meccanici sulle piazzole.

Buon Making a tutti 🙂

Organizzatore modulare per cavetti Dupont anche su barra DIN

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Chi lavora con breadboard, Arduino/ESP32 e sensori lo sa: i cavetti dupont sono comodissimi finché non diventano un groviglio. Li appoggi “un attimo” sul banco, si intrecciano, spariscono sotto i fogli, si piegano, si rovinano, e quando serve davvero perdi minuti solo per trovare la lunghezza giusta.

Nelle ultime settimane, come immagino abbiate notato, sto elencando una serie di micro-soluzioni stampabili in 3D che migliorano l’ordine, riducono gli intoppi e rendono più fluida la didattica laboratoriale soprattutto quando ci sono studenti, gruppi e postazioni da ripristinare a fine lezione.

In rete si trovano diversi organizer molto efficaci, già in passato ne avevo realizzato un modulare che permette di gestire cavetti di lunghezze diverse con scanalature dedicate e si stampa senza supporti.

La variante che vi propongo riduce la quantità di viti necessarie per l’asseblaggio, i pettini vanno inseriti ad incastro su binari predisposti.

Come per la versione precedente l’organizzatore non è un pezzo unico è composto da moduli replicabili, così posso adattare la capacità in base alla postazione, al corso o al tipo di attività.
Poiché utilizzo un apposita workstation costituite da una serie di barre DIN (barre omega) su cui predispongo l’elettronica necessaria per impostare le esercitazioni scolastiche, ho pensato di aggiungere alla postazione l’organizzatore di cavetti che viene vincolato con un gancio che si avvita all’organizzatore.

Ogni anno amplio e aggiorno la mia workstation di lavoro e, in parallelo, sto progettando una versione completa anche per gli studenti. L’idea è organizzare su apposite barre DIN tutti i componenti necessari per svolgere le esercitazioni di sistemi elettronici.

L’utilizzo di una struttura di prototipazione personalizzabile e modulare è una soluzione che adotto da tempo: è nata in modo sistematico con la gestione delle esercitazioni di automazione con PLC e si è poi estesa, naturalmente, alle attività con microcontrollori.

Vi lascio il link diretto per prelevare i file per stampare l’organizzatore modulare per cavetti Dupont.

Buon making a tutti 🙂

ESP32 su breadboard: come recuperare spazio di prototipazione

2 Repliche

Chi lavora con ESP32 su breadboard conosce bene il problema: molte dev board (DevKit, NodeMCU, ecc.) sono abbastanza larghe da occupare la fessura centrale e “mangiarsi” proprio i fori che servirebbero per collegare jumper, moduli e sensori. Risultato: cablaggi scomodi, contatti instabili e poco spazio operativo.
In questo post raccolgo due soluzioni pratiche, a partire da due modelli stampabili in 3D. On-line trovate altre soluzioni che uniscono insieme più breadboard, sono ovviamente altrettanto valide, vi mostrerò in successivi post come procedere, per ora sto utilizzando una soluzione che considero più elegante.

Soluzione 1: “ESP-32 Breadboards” stampabile in 3D

La soluzione che sto utilizzando in questo periodo e che nasce proprio con l’obiettivo di porre l’ESP32 in posizione corretta e garantire più spazio aggiuntivo per moduli e collegamenti. Il progetto può essere reperito su MakerWorld ed è descritto dall’autore come “Perfect Fit, Extra Module Spaces” e posso confermarlo.

Motivi per cui ho scelto questo progetto:

crea una base dedicata: evitiamo ESP32 “appesi” alla breadboard;
recupero spazio attorno alla scheda per jumper e piccoli moduli;
è pensata per essere una soluzione ordinata, comodo in contesto didattico.

Seguite il link per prelevare i file per la stampa 3D.

Di seguito le fasi di costruzione.

Le lamelle/contatti metallici possono essere recuparate da una breadboard standard come potete notare dalle immagini che seguono, qindi l’operazione richiede un po’ di lavoro iniziale.

Soluzione 2: “Dual Breadboard Case”

La seconda soluzione è un contenitore che vi permette di accoppiare due breadboard creando un’area di prototipazione più ampia, lasciando la scheda (ESP32/Arduino ecc.) in posizione comoda.

Certamente è una soluzione più semplice da realizzare, non richiede di smontare le lamelle di una precedente breadboard, inoltre disponete di maggior spazio di lavoro.

Seguite il link per prelevare i file per la stampa 3D.

Mentre scrivo questo breve post sto stampando questo contenitore in modo da valutarne l’utilizzo a scuola.

Buon Making a tutti 🙂

5 minuti da Maker – contenitore per spugna di ottone per pulizia saldatore

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Quando si salda spesso, la qualità del lavoro dipende anche da un dettaglio “banale”: una punta del saldatore pulita. Per questo in laboratorio uso quasi sempre la spugna di ottone (brass wool) al posto della classica spugnetta umida: rimuove residui di stagno, ossidazioni e flussante in modo efficace, senza rovinare il rivestimento protettivo della punta. E soprattutto non richiede acqua, quindi evita gli shock termici che, nel tempo, possono accorciare la vita della punta del saldatore.

La spugna di ottone è anche poco abrasiva: aiuta a mantenere la punta più lucida, migliorando la conducibilità termica e facilitando l’adesione dello stagno durante le saldature.

Per mettere ordine sul banco (e avere sempre tutto al posto giusto) ho progettato un contenitore stampabile in 3D e poiché amo le abat jour degli anni ’70 ho realizzato una forma semplice costituita da due sfere:

una sfera cava che ospita la spugna di ottone;
una semisfera piena che funge da piedistallo stabile.

Come per gli altri mini-progetti, l’obiettivo è duplice: organizzazione del laboratorio e attività didattica concreta. Questo oggetto, infatti, è perfetto anche per strutturare micro-esercitazioni di modellazione e stampa 3D con gli studenti di prima e seconda superiore, perché è rapido da stampare, intuitivo da montare e subito utile.

File per la stampa 3D

Seguendo il link trovate i file per la stampa 3D.

Buon Making a tutti 🙂

Michele Maffucci

… my stories, life and work