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Aug 18, 2023

Construisez une imprimante 3D à toute épreuve, pas une incroyable machine à déception

Les imprimantes 3D sont devenues incroyablement bon marché, vous pouvez obtenir une unité entièrement fonctionnelle pour

Les imprimantes 3D sont devenues incroyablement bon marché, vous pouvez obtenir une unité entièrement fonctionnelle pour 200 $ - même sans jeter votre argent dans un abîme de financement participatif. En regardant les gens qui achètent encore des kits ou même construisent leur propre imprimante 3D à partir de zéro, investissant bien plus que ces 200 $ et tant d'heures de travail dans une machine que vous pouvez acheter à bas prix, la question "Pourquoi diable feriez-vous ça ?" peuvent légitimement survenir.

La réponse est simple : les imprimantes 3D DIY bien faites sont des bêtes de somme robustes. Ils fonctionnent à chaque fois, ils ne cassent jamais, et même si : ils sont une source inépuisable de pièces de rechange pour eux-mêmes. Ils ont exactement la qualité et la fonctionnalité pour lesquelles vous les construisez. Pas de désordre et rien ne manque. Cependant, le terme imprimante 3D DIY, dans son utilisation couramment acceptée actuelle, signifie en fait : la première et la dernière imprimante 3D jamais construites par quelqu'un, ce qui se termine souvent par l'étonnante machine à déception.

Cet article est dédié à libérer le plein potentiel de toutes ces constructions et à transformer presque toutes les combinaisons de tiges filetées et de contreplaqué en un équipement de qualité atelier.

L'âge du cadre à tige filetée Mendel fragile est révolu depuis longtemps, il a été remplacé par l'âge des cadres Prusa i3 à feuille unique fragiles. Des résultats d'impression décents nécessitent un cadre solide, alors ajoutez des supports et des stabilisateurs partout où vous le pouvez.

Si vous construisez une imprimante de style cube à partir d'extrusion d'aluminium, utilisez des équerres pour stabiliser le cadre. Si vous construisez une variante Prusa i3, assurez-vous d'obtenir un cadre avec des stabilisateurs ou ajoutez des stabilisateurs plus tard. Si vous construisez un Mendel classique, ajoutez des planches stabilisatrices aux entretoises.

Le PLA est un choix de matériau horrible pour la partie imprimée en 3D d'une imprimante 3D DIY, d'abord pour son point de fusion bas, et ensuite pour sa fragilité. Presque tous les matériaux fonctionneront mieux, mais au moins les pièces en ABS peuvent durer éternellement. Imprimez-les très chauds - au moins 255 ° C pour obtenir une bonne adhérence des couches et ils ne vous manqueront jamais. Néanmoins : Gardez toujours un jeu de pièces de rechange, car vous le pouvez. Il n'est pas nécessaire que ce soit un pack de 3.

Pourtant, la précision absolue et la qualité de surface des pièces imprimées en 3D ne sont généralement pas aussi polies que l'extrusion d'aluminium et les matériaux en feuille auxquels elles se fixent. Lorsque vous fixez une pièce imprimée en 3D à une surface plane à l'aide de vis, vous avez essentiellement deux options pour obtenir une connexion solide : serrez très fort les vis - ce qui casse presque toujours la pièce imprimée en 3D - ou utilisez un papier de verre à grain fin pour aplatir la surface de contact de la pièce imprimée en 3D afin d'obtenir un bon contact entre les deux. Une fois que les vis appliquent une pression raisonnable, le frottement statique entre les deux surfaces prend le dessus et offre une résistance élevée aux forces de cisaillement.

En conjonction avec un châssis rigide, les entraînements par courroie dans diverses configurations (à l'exception du H-bot) et les entraînements par broche peuvent atteindre une précision répétitive qui dépasse les exigences de FDM dans les directions X et Y par des grandeurs. Cependant, la qualité et la longévité de tout système d'entraînement dépendent beaucoup de la qualité des composants impliqués. Les poulies ou accouplements excentriques, ainsi que les composants qui introduisent du jeu, sont les pièges les plus courants ici. Le meulage des dents de la courroie peut provoquer des vibrations, alors assurez-vous que toutes les courroies tournent au centre de leurs poulies et de leurs pistes de renvoi. Utilisez des rouleaux à bride ou au moins des rondelles pour empêcher les courroies de frotter contre d'autres parties de l'imprimante.

Pour l'axe Z, il convient de mentionner que l'amélioration de la qualité que vous pouvez attendre d'un moteur pas à pas avec arbre à vis ACME intégré par rapport à la solution d'accouplement commune à tige filetée sur flexible est assez insignifiante, même en termes de longévité. Les tiges filetées M5 en acier inoxydable dans l'axe Z permettent d'excellents résultats d'impression et durent de nombreuses années, même lorsqu'elles sont exposées à la contrainte constante du nivellement automatique du lit. Dans ce cas, la solution budgétaire peut suffire. Bien sûr, les assemblages d'imprimantes volumineux et lourds nécessitent en effet des vis-mères appropriées.

Tant que votre construction ne dépasse pas la taille et le poids typiques d'une imprimante 3D de bureau, évitez d'utiliser des roulements à billes linéaires dans les axes X et Y, car ils constituent un point de défaillance très courant. Leur qualité varie considérablement selon le fabricant, et même si le coup bon marché fonctionne apparemment très bien au début, ils ne dureront pas longtemps. Les débris de plastique imprimés en 3D et même des fragments de leur propre assemblage les feront tôt ou tard se bloquer. Les paliers lisses polymères tribologiques sont la voie à suivre ici. Ils sont autolubrifiants, sans entretien et durent pratiquement éternellement, du moins selon les normes des roulements à billes linéaires. Ils sont également disponibles dans les facteurs de forme compatibles avec la norme japonaise en remplacement du LM8UU couramment utilisé.

N'utilisez pas plusieurs roulements linéaires en ligne pour augmenter la stabilité angulaire d'un chariot. Il existe des versions prolongées disponibles pour presque tous les types de roulements linéaires, par exemple, utilisez le facteur de forme LM8LUU au lieu de deux LM8UU.

Même si vous avez un budget limité, pensez à utiliser des moteurs pas à pas avec un angle de pas de 0,9° au lieu de 1,8° pour les axes X et Y et pour toute extrudeuse sans engrenage. Ils vous coûteront probablement 2 $ ou 3 $ de plus par pièce, mais ils doublent votre résolution mécanique, ce qui peut être extrêmement visible. Le micropas est idéal pour réduire les vibrations, mais - contrairement à la croyance populaire - n'augmente pas la résolution d'impression effective. Les images suivantes des têtes Yoda montrent assez clairement la différence de qualité. Ils sont imprimés à une hauteur de couche de 0,1 mm sur le même Prusa i3 à partir du même G-Code - la seule différence est l'angle de pas physique des moteurs.

Le courant nominal de vos pilotes de moteur pas à pas doit être capable de fournir le courant nominal des moteurs pas à pas, car les moteurs pas à pas ne fourniront leur couple complet qu'à ce courant. Laisser une marge de 20% pour éviter de constamment maximiser vos pilotes. Même si certains détaillants expédient des modules de pilote de style Pololu (c'est-à-dire A4988 et DRV8825) avec des dissipateurs thermiques (de mauvaise taille) et des tampons adhésifs thermiques (de qualité douteuse), ces dissipateurs thermiques font généralement plus de mal que de bien. Laissez-les de côté et respectez la marge de courant de 20%, et vous obtiendrez toujours le couple complet.

En plus de cela, ne câblez pas plusieurs moteurs pas à pas à un seul pilote, en particulier le minuscule Pololus. Si vous ne pouvez pas mettre la main sur un duplicateur de port approprié avec des condensateurs tampons pour chaque pilote, une solution de contournement bon marché et entièrement utilisable consiste à souder des en-têtes femelles à un pilote Pololu, à ajouter des en-têtes mâles pour les moteurs et à en mettre une seconde dessus.

Le choix particulier de la carte contrôleur d'imprimante 3D dépend principalement de vos exigences individuelles en termes de fonctionnalité pure. Si vous voulez une machine plug and play qui fonctionne à chaque fois dans n'importe quel environnement, évitez les clones de cartes basées sur Arduino ou d'autres produits qui utilisent des remplacements de ponts usb-série bon marché, tels que le CH340/CH341. Ils peuvent éventuellement fonctionner, mais la prise en charge à long terme des pilotes plug-and-play pour tous les principaux systèmes d'exploitation peut valoir la peine d'être payée, car elle finit par faire partie de l'expérience utilisateur.

Connaissez vos composants et n'utilisez que des capteurs de température accompagnés d'une fiche technique fiable. Sinon, la température mesurée sera juste une estimation légèrement meilleure. Assurez-vous que le capteur a un bon couplage thermique avec le lit chauffant ou le bloc chauffant de la hotend pour permettre au contrôleur de température de maintenir la température constante. Le composé thermique est la voie à suivre ici. Les thermistances NTC ne survivent généralement pas à des températures supérieures à 300 ° C requises pour imprimer certains plastiques techniques, vous êtes enfermé avec des thermocouples. De plus, que vous mesuriez la température du lit chauffant et de la hotend avec un EPCOS NTC, un Vishay NTC, un Semitec NTC ou un thermocouple de type K à pointe soudée n'a pas nécessairement d'importance, ils sont tous suffisamment précis.

Un contrôleur LCD avec lecteur de carte SD transforme votre imprimante 3D en une usine autonome. Le SmartController RepRap Discount classique avec un affichage non graphique conviendra parfaitement à la plupart des configurations. Il existe des clones qui fonctionnent très bien lorsqu'ils sont utilisés avec l'adaptateur RAMPS fourni, mais certains d'entre eux ont leur colonne de connecteur inversée à 180°, alors faites attention lorsque vous les connectez à des cartes avec des ports EXT dédiés pour le panneau d'affichage, comme le RUMBA.

Le menu de clic et de défilement fourni par la plupart des micrologiciels pour les contrôleurs LCD courants peut être un peu encombré et insatisfaisant à utiliser, mais cela peut être corrigé assez facilement et nous en parlerons plus tard dans cet article.

Un Raspberry Pi chargé avec OctoPrint, peut-être même avec un écran tactile LCD, améliore considérablement la convivialité et la productivité par rapport au contrôleur LCD clairsemé. Il vous permet d'envoyer le G-Code directement de la trancheuse à l'imprimante par liaison radio et vous permet de contrôler facilement votre imprimante via une interface utilisateur agréable. Cependant, cela ajoute plusieurs points de défaillance à la machine. Bien que la connexion SPI entre la carte SD et le microcontrôleur soit à peu près à l'épreuve des balles, vous rencontrerez presque certainement un Raspberry Pi gelé ou un OctoPrint suspendu tôt ou tard. C'est encore rare, mais si vous utilisez OctoPrint pour diffuser du code G sur l'imprimante, assurez-vous d'ajouter

au tout début de votre code G de démarrage pour activer le délai d'inactivité et

à la toute fin du G-code de fin pour le désactiver à nouveau. Le délai d'attente de 30 secondes tuera l'imprimante et éteindra tous les radiateurs au cas où l'hôte OctoPrint se fige ou arrête d'envoyer des commandes avant la fin de l'impression comme prévu.

La liaison de la couche ABS à une température d'impression de 280 ° est extrêmement solide et permet d'imprimer de grands modèles ABS résistants sans se fissurer ni se déformer lors de la première tentative. Les hotends entièrement métalliques sont la voie à suivre ici, car les isolants en PEEK et les revêtements en PTFE qui atteignent la zone de fusion commencent à dégénérer à des températures beaucoup plus basses. Utilisez donc un hotend entièrement métallique et au moins une cartouche de 40 W pour un temps de chauffe rapide. Assurez-vous que le hotend est solidement fixé dans son support sur la tête d'impression.

Les extrudeuses Bowden ont un certain jeu, mais ce n'est pas nécessairement un problème lors de l'impression d'ABS, de PLA et de nylon. Pourtant, les variantes de 1,75 mm de matériaux flexibles tels que (insérer le terme distinctif ici) Flex sont à peu près incompatibles avec les extrudeuses Bowden et au mieux extrêmement gênantes. Si vous prévoyez de travailler avec ceux-ci, utilisez une extrudeuse à entraînement direct. Même lorsque vous utilisez une extrudeuse à entraînement direct, assurez-vous que le filament est livré à l'extrudeuse via un tube Bowden qui est fixé en toute sécurité à un raccord de tube sur le porte-bobine. Les configurations dans lesquelles une extrudeuse sur un guide linéaire fragile tire le matériau directement de la bobine donnent généralement de mauvais résultats car la force de traction dévie de manière imprévisible la tête d'impression pendant l'impression.

La plupart des assemblages d'extrudeuses imprimés en 3D, tels que l'extrudeuse de Wade ou l'extrudeuse Bowden d'AirTripper, fonctionnent aussi bien que les plus chers que vous pouvez acheter. Le facteur le plus important pour la cohérence et la fiabilité de l'extrusion est l'engrenage d'entraînement. Optez pour un engrenage d'entraînement en acier trempé de haute qualité ou un boulon taché, avec des dents pointues et une bonne adhérence.

Les longs temps de chauffe sont un tueur de productivité, et pour atteindre la température rapidement - en 3 minutes environ, un lit chauffant pour PCB ordinaire doit avoir une densité de puissance d'environ 1+ W/cm2 (6,5 W/in2). Pour atteindre 110° (230 °F) dans des conditions normales, un lit chauffant doit fournir une densité de puissance minimale d'environ 0,3 W/cm2 (2 W/in2). Si vous souhaitez imprimer des matériaux comme l'ABS, qui nécessitent une température de lit élevée, tenez compte de la puissance nécessaire du lit chauffant par rapport à sa taille.

Les lits chauffants PCB simple face ont tendance à respirer de haut en bas, en raison de la dilatation thermique non uniforme des traces de cuivre et du matériau de la carte, ce qui peut entraîner une finition de surface affectée par les motifs de bandes. L'animation montre clairement le problème :

Étant donné que les impressions de haute qualité reposent sur une précision de positionnement Z de l'ordre de quelques dizaines de microns, même des fluctuations de température mineures peuvent entraîner l'introduction d'artefacts indésirables par un élément chauffant PCB unilatéral. Utilisez des radiateurs PCB double face ou d'autres alternatives qui ne souffrent pas de ce problème (c'est-à-dire des tapis chauffants en silicone attachés à une ardoise solide en aluminium), ainsi qu'une boucle de contrôle PID bien réglée.

Les lits chauffants modernes, tels que le Prusa MK42, permettent d'obtenir une distribution de température plus uniforme en compensant les pertes de chaleur non uniformes par une densité de puissance non uniforme, ce qui aide beaucoup à faire adhérer de grandes structures à la plaque de construction dans ses coins. Dans tous les cas, utilisez toujours un fusible de coupure thermique fixé directement au centre de la face inférieure du lit chauffant.

Le lit chauffant doit être solidement fixé au cadre ou au chariot sur lequel il repose. N'utilisez pas de vis de réglage desserrées avec des ressorts bancals pour les monter, car elles affecteront sérieusement la qualité d'impression. Idéalement, boulonnez le lit chauffant aussi droit que possible et utilisez le nivellement automatique du lit pour un réglage précis.

L'enfermement de votre imprimante dans une boîte empêche les courants d'air et la chaleur retenue vous permet d'imprimer des objets plus grands à partir d'ABS avec moins de distorsions. L'enceinte elle-même peut être n'importe quoi, d'une boîte assez grande ou d'un magnifique printarium en acrylique. Tant que la chaleur reste à l'intérieur, cela fonctionnera. Gardez l'électronique de votre imprimante à l'extérieur de la chambre de construction chauffée pour éviter la surchauffe des pilotes de moteur et de l'alimentation. N'oubliez pas que les chambres de construction chauffées activement nécessitent également des dissipateurs thermiques refroidis activement.

N'ajoutez pas de matériau isolant sous votre lit chauffant, car cela diminue la production de chaleur globale. Les chambres de construction chauffées passivement sans isolation excessive peuvent facilement atteindre environ 40 ° C ou plus, simplement en retenant la chaleur du lit chauffé. Gardez l'entretien facile en vous assurant que le boîtier peut être retiré sans démonter le tout, et bien, une porte serait bien. Dans tous les cas, évitez les courants d'air. Lors de l'impression d'ABS et de HIPS, même un boîtier improvisé ou juste une petite armoire vaut mieux que rien du tout.

Les plaques de verre ou les miroirs ordinaires sont en effet capables de résister à des températures élevées, mais à 110°C le moindre choc les fait éclater. Si vous imprimez sur du verre, ce qui fonctionne très bien avec des matériaux comme le PLA et le PET(-G), utilisez du verre borosilicaté. Pour l'impression d'ABS, de HIPS et également de PLA, une surface d'impression en polyétherimide (PEI) est considérée à juste titre comme la meilleure option. L'ABS y adhère solidement pendant l'impression et se détache toujours après. HIPS et PLA fonctionnent aussi bien.

Cependant, non seulement le PEI est un matériau coûteux avec des prix au kilogramme de plusieurs centaines de dollars, mais il est également peu disponible, ce qui a conduit à une utilisation accrue de films adhésifs PEI minces. Ces films offrent la même excellente adhérence et expérience d'impression, mais sont assez fragiles et s'endommagent facilement. Pour une utilisation intensive en atelier, utilisez plutôt une feuille PEI 1/8". Elle peut être légèrement plus chère mais durera éternellement et peut même être refaite sur une fraiseuse CNC une fois qu'elle montre de l'usure. Pour une surface d'impression uniforme, la feuille PEI doit être stabilisée, de préférence en la collant sur une feuille de verre borosilicaté ou d'aluminium à l'aide d'un ruban adhésif de transfert résistant à la chaleur.

N'utilisez pas de plaques d'impression en aluminium chauffées avec seulement une fine couche de PEI ou de Kapton dessus. La conductivité thermique élevée de l'aluminium dépasse l'objectif de maintenir la couche de contact à température et chauffe à travers l'ensemble de l'objet d'impression à un point où il devient généralement trop mou pour se supporter.

Il convient de mentionner que la surface d'impression la plus connue pour le nylon est toujours la Garolite (alias Tufnol). Le nylon y adhère bien et même des pièces en nylon plus grandes peuvent être imprimées de manière fiable sur Garolite.

Alors que la sonde servo-déployée classique a toujours fonctionné assez bien, le type de capteur le plus polyvalent, le plus précis et le plus fiable pour le nivellement automatique du lit est le commutateur de distance capacitif sans contact. De nombreuses versions, en particulier celles avec une plaque de construction métallique (c'est-à-dire la Prusa MK42) ou un support, utilisent toujours des capteurs inductifs, mais ces capteurs ignorent les surfaces d'impression non métalliques (telles qu'une feuille de verre, PEI ou Garolite) et ne répondent qu'à la tôle sous-jacente. Bien que cela puisse, bien sûr, être pris en compte par un décalage, ce décalage est rarement constant et uniforme. De plus, tous les interrupteurs de distance sans contact ont une certaine précision, généralement d'environ 10 % par rapport à une distance de déclenchement réglable. Montez-les avec une courte distance de déclenchement, idéalement 1 ou 2 mm, pour obtenir une précision maximale. Bien sûr, tout capteur doit être monté solidement sur la tête d'impression pour des sondages précis.

Il existe plusieurs grands projets de micrologiciels, les plus célèbres étant Marlin et Repetier. Marlin et Repetier ont des approches assez différentes en ce qui concerne leur configuration. Marlin clone depuis un dépôt GitHub avec deux fichiers de configuration bien documentés et commentés, un pour les bases et un pour les paramètres avancés. Repetier, en revanche, utilise un site Web qui vous permet de composer les paramètres de votre micrologiciel dans une interface Web graphique et de télécharger les sources préconfigurées. Ces sources contiennent également des fichiers de configuration, mais ils ne sont pas aussi bien documentés que l'homologue de Marlin.

En ce qui concerne les fonctionnalités et les fonctionnalités, Marlin offre moins de fonctionnalités, mais une plate-forme solide, hautement configurable et fiable, digne d'une imprimante 3D performante. En revanche, Repetier offre de nombreuses fonctionnalités expérimentales, y compris, mais sans s'y limiter, des extrudeuses virtuelles pour le mélange des couleurs. C'est le firmware idéal pour explorer les frontières d'applications d'impression 3D plus exotiques. Bien que toutes ses nombreuses fonctionnalités ne soient pas toujours bien documentées, ce qui ne manquera pas de causer des problèmes si vous recherchez simplement quelque chose de propre et fiable pour une utilisation en atelier.

Seule une température constante vous permet d'imprimer des modèles de haute qualité sans bandes ni artefacts. Un simple interrupteur de contrôle de température bang-bang ne fournit pas la stabilité de température nécessaire. Le moyen le plus simple et le meilleur d'obtenir une température constante du hotend et du lit chauffé est une boucle de contrôle PID, et Marlin et Repetier offrent cette option. Ils offrent également un programme de réglage automatique PID, qui éliminera toute ondulation de votre courbe de température sans compromettre les temps de chauffage ni trop dépasser. Repetier propose également un algorithme de contrôle du temps mort alternatif, qui dans de nombreux cas fonctionne aussi bien. Cependant, la précision et l'efficacité d'une boucle de contrôle du temps mort dépendent du rapport du temps mort effectif et de l'intervalle d'interrogation/mise à jour de la boucle de contrôle. Il en résulte une mauvaise stabilité de la température sur les éléments chauffants à haute puissance qui ont un temps mort de quelques dizaines de millisecondes. Utilisez simplement le PID.

Le micrologiciel standard Marlin ou Repetier avec prise en charge de l'affichage activé rend presque toutes les options de contrôle disponibles via le menu de défilement et de clic. Il est complet, mais aussi encombré, et vous permet de naviguer à travers quatre niveaux avant de pouvoir déplacer un axe.

Pour une utilisation en atelier, seule une fraction des entrées est réellement nécessaire. Supprimez simplement les entrées inutiles dans le code source du micrologiciel. Dans la source de Marlin, cela peut être facilement fait en commentant les éléments inutiles dans le ultralcd.cpp plutôt explicite.

Vous pouvez également simplifier le menu de déplacement pour ignorer la sélection de la vitesse d'avance :

C'est rare, mais les imprimantes 3D peuvent prendre feu. Utilisez les fonctions de sécurité fournies par le micrologiciel, mais ne vous fiez pas uniquement à elles. Les MOSFET simples et les relais à semi-conducteurs échouent généralement dans leur état conducteur, ce qui peut entraîner un échauffement incontrôlé avec des résultats désastreux. Les fusibles de coupure thermique sont des composants à 1 $, mais ils sont tout à fait capables d'empêcher un lit chauffant de piste de transformer votre atelier en cratère.

Si votre ligne d'alimentation secteur est instable ou si des équipements à haute induction sont allumés dans le même atelier - des coupeurs plasma portables bon marché par exemple - c'est une bonne idée de faire fonctionner votre imprimante à partir d'un onduleur (alimentation sans coupure). Même une courte panne de courant pendant le processus d'impression ruine l'impression, et un petit onduleur bon marché vous aidera dans ce cas.

Apparemment, fabriquer un bon filament est un peu plus complexe que d'introduire des granulés dans quelque chose de chauffé avec une tarière. Cela nécessite des mesures précises et une boucle de rétroaction fermée pour maintenir les tolérances à un niveau bas. Les défauts de filament que j'ai trouvés dans les filaments bon marché et de mauvaise qualité vont des bulles d'air emprisonnées, des variations de propriétés, de couleur et de diamètre. J'ai même trouvé une bobine d'ABS qui s'est estompée en PLA à mi-chemin. Tout cela ne contribue pas à une impression fiable de haute qualité, et si la moitié des impressions échouent, ce n'est même pas bon marché. Assurez-vous donc d'obtenir un bon filament qui mesure les capacités de votre machine.

L'entretien est l'un des grands avantages des imprimantes de bricolage. La disponibilité des pièces de rechange et de la documentation rend cela possible, mais cela doit aussi être amusant de travailler sur la machine. Un câblage bien rangé, des guides de câbles ainsi qu'un code de couleur cohérent pour les tensions et les signaux sur l'imprimante vous feront gagner beaucoup de temps, de frustrations et de fumée magique dès que vous aurez besoin de revoir les composants internes de votre machine un an ou deux après sa construction initiale.

J'espère que vous avez apprécié cette compilation d'apprentissages de plus de 20 versions d'imprimantes 3D uniques. La plupart des projets open source maintiennent un manuel d'assemblage détaillé mais manquent les détails qui font d'une machine un équipement d'atelier formidable, fiable et amusant à utiliser. L'article est devenu long, mais j'espère qu'il comblera suffisamment de lacunes pour faire de tout projet d'imprimante 3D DIY un succès. Il est également forcément incomplet, alors ajoutez vos propres découvertes dans la section des commentaires !