Лазерный резак из 3D-принтера

Из этой статьи мы с вами узнаем, как собрать лазерный резак на базе 3D-принтера.
Идея сделать этот лазерный резак / гравер пришла к мастеру, после того, как он купил новый 3D-принтер Ender 3 pro, а старый принтер, Davinci pro, остался не удел.

Мастер не предоставляет точные чертежи и инструкции, но изучив его опыт можно применить его к изготовлению своего станка.

Инструменты и материалы:
-3D-принтер;
-Лазерная трубка CO2;
-Блок питания лазера;
-Фокусирующая линза;
-Arduino с ЧПУ-щитом;
-Воздушный компрессор;
-Водяной насос;
-Емкость для воды;
-Силиконовая трубка;
-МДФ;
-Лист поликарбоната;
-Тонкий алюминиевый лист;
-Ножовка;
-Крепеж;
-Отвертка;
-Рулетка;
-Маркер;

Шаг первый: меры безопасности
При работе с лазерным резаком необходимо соблюдать меры безопасности. Необходимо принять меры предосторожности, чтобы не поранить себя или других прямым или отраженным лазерным светом. Там, где свет диодного лазера в основном виден, свет лазера CO2- нет. Кроме того, мощность СО2-лазера намного выше. После сборки станка пользователю необходимо его настроить и откалибровать. Как правило в это время защитный экран отсутствует. Никогда не делайте это без защитных очков. Используйте очки предназначенные для защиты от лазерного света данного типа (10,6 мкм). Прямой и даже отраженный лазерный свет может разрушить сетчатку глаза.

Так же опасно напряжение. Блок питания для этого устройства может управлять лампой 40 Вт и имеет выходное напряжение от 15 до 25 кВ. Даже если станок выключен, необходимо подождать некоторое время, прежде чем прикасаться к высоковольтными кабелям.
Источник питания и высоковольтный кабель, идущий к лазерной трубке, должны быть экранированы заземленным экраном.
Так же, ядовитые пары, исходящие от материалов, подвергнутых лазерной обработке, должны выводиться за пределы помещения.

Шаг второй: разборка принтера
Сначала мастер разобрал старый 3D-принтер. На 1-м снимке видно перевернутую ходовую часть осей x, y. Из этой части он убрал оригинальные направляющие для осей (черные) и распечатал другие (оранжевые). Новые детали, которые он напечатал, созданы специально для того, чтобы установить набор линз золотого цвета.

На рис. 2 видно тестирование устройства с лазерной трубкой и водяным охлаждением сзади. Справа элементы управления для всего этого. Большинство деталей было приклеено к столу скотчем. Это выглядит неаккуратно, но работает.

Убедившись, что все это работает, он начал проектировать угловые стойки, чтобы область резки была больше, чем область печати.

Шаг третий: корпус
Дальше мастер изготовил корпус.
Фото 1: основание (85×60 см), на котором он нарисовал боковые пластины и отсек для лазера.
Фото 3 и 4: лазерный отсек с защитным экраном высокого напряжения.
Фото 5: здесь, на алюминиевом экране, будет установлен LPS (источник питания лазера).
Рис 6: каждая алюминиевая экранирующая пластина высокого напряжения должна быть соединена друг с другом

Шаг четвертый: отверстия
На фото ниже мы видим корпус с круглыми и квадратными отверстиями. Самое левое круглое отверстие — это отверстие для отработанного воздуха (вытяжка), круглое отверстие в задней пластине — это отверстие, через которое проходит лазерный луч, круглое отверстие справа и узкое квадратное отверстие справа сзади — это отверстия для забора воздуха. Воздух поступает через узкое квадратное отверстие, проходит через отсек электроники, охлаждает электронику и проходит через правое круглое отверстие в зоне резки, где он выводит дым и теплый воздух через левое круглое отверстие наружу.

Другое квадратное отверстие предназначено для подключения сетевого шнура и переключателя, а также выхода 5 В для термометра измеряющего температуру воды и трубки вспомогательного воздуха.

Шаг пятая: дальнейшая сборка
На следующем фото показан источник питания.

Слева от Arduino видим зеленую плату. Это плата адаптера, которую мастер сделал для концевых выключателей и логического инвертора. Адаптер необходим, потому что он использует концевые выключатели со светодиодом состояния, которые используют три вывода вместо двух (один дополнительный 5 В для светодиода), а экран ЧПУ использует двухпроводные соединения.

Маленькие красные пластиковые квадраты — это печатные крепления для кабелей, которые можно использовать со стяжками, прикрепленными к корпусу скотчем.

На следующем фото — панель управления станком и лазерную трубку.

Шаг шестой: программное обеспечение
При работе со станком мастер использует бесплатную программу Lightburn
Код можно скачать ниже.
config.h

Шаг седьмой: электроника
Проблема, с которой он столкнулся во время этой сборки, касалась того, как заставить СО2-лазеру работать. Поскольку у Arduino есть положительный выходной сигнал TTL (transistor–transistor logic – транзисторно-транзисторная логика), а LPU требуется отрицательный сигнал TTL для запуска лазера.
В итоге он нашел решение — логический инвертор.
Рис 1: схема логического инвертора.
Левый желтый и черный провода — это выходные провода TTL, идущие от экрана ЧПУ.
Правый желтый и черный провода — это перевернутые сигнальные провода, идущие к LPU (JP3 на рис. 3).
Светодиод с балластным сопротивлением R5 нужен только для информирования.
Рис 2: Два разных транзистора, которые можно использовать для схемы. Обратите внимание на разницу в расположении контактов
Рис 3: Используются LPU с конфигурацией разъема 4,6,4. На JP3 видно входящие перевернутые сигнальные линии.

Ниже полная блок-схема.
Файл Fritzing добавлен для загрузки, чтобы увидеть более подробную информацию.

CO2-лазер Eng.fzz
Шаг восьмой: проблема концевых выключателей
Когда лазер срабатывает, он нарушает работу концевых выключателей, и станок останавливается в состоянии ошибки. Происходит это, вероятно, из-за импульсов высокого напряжения. Экранировать выводы к концевым выключателям не получилось и он решил проблему программно.
на фото. 1 настройки G-кода, которые он использует, где самонаведение отключено
на рис. 2 макрос самонаведения

Что он делает, так это то, что при запуске Lightburn функция самонаведения не работает, потому что 21 и 22 значения равны 0.
Мастер использует макрос, чтобы вернуть станок в исходное положение:
включить цикл самонаведения: значения 21 и 22 доллара от 1 (теперь машина чувствительна к импульсам высокого напряжения, но это нормально, потому что лазер не срабатывает во время следующего цикла самонаведения)
наведение машины: $ H
выключить цикл самонаведения: значения 21 и 22 доллара вернутся к исходному 0 (теперь высоковольтные импульсы не действуют)

Теперь можно использовать только макрос возврата в исходное положение. Нужно делать это всякий раз, когда неясно, знает ли станок, как расположена ось, например, если ось перемещалась вручную.

Итак, если пользователь включает станок и Lightburn (или другую программу резки), в первую очередь нужно использовать макрос возврата в исходное положение.

Шаг девятый: линзы
Если линия диодного лазера буквально прямая, для лазера CO2 это не так. Очень важно, чтобы лазерный луч проходил через середину фокусирующей линзы, а затем прямо через отверстие для подачи воздуха. В противном случае будут искаженные результаты. Лазер должен располагаться как можно точнее по центру всех линз. При разработке конструкции нужно делать ее такой, что бы можно было перемещать держатели зеркал по вертикали или горизонтали, или и то, и другое, в зависимости от ситуации.

На фото виден макет CO2-лазера, который мастер распечатал. Это красный диодный лазер в печатном корпусе с диаметром реальной лазерной трубки. С помощью него легко регулировать положение лазера относительно линз.

Эта регулировка не будет достаточно точной, из-за внутренних допусков, после замены трубки на макет, но она уже имеет большое значение.

Шаг десятый: охлаждение и вытяжка
Лазерной трубке требуется охлаждение, иначе срок ее службы резко сократится. Когда температура лампы повышается, выходная мощность падает.

Мастер использует емкость ок. 6 литров и водяной насос Amzdeal модели HY-304. В этот контейнер, помимо воды, он помещает бутылку со льдом.

Для охлаждения нужно использовать только очищенную воду.

Пары, исходящие от сгоревшего материала, могут быть токсичными или, по крайней мере, вредными для здоровья. Пары также блокируют лазерный луч, что снижает его эффективность.
Мастер подключил вытяжку станка к вытяжке дома.

Все готово.

После сборки станка мастер его протестировал. На фотографиях ниже можно увидеть некоторый примеры его работы.
Первым делом он сделал новую панель управления.

На следующих фото небольшие ящики и коробки для хранения.

Гравировка на акриловых предметах.

И наконец гравировка на алюминии. Яркие картинки — с помощью CO2-лазера, тусклые — с помощью диодного лазерного гравера.

Источник