Aufbau eines Lasergravierers

01.06.2019

Skill level

Schwer
Costs

85 €
Duration

Unter 1 Tag

Eine vorhandene China CNC-Fräse mit defekter Steuerplatine wurde in einen Lasergravierer mit Arduino CNC-Steuerung umgebaut.

Der angegeben Preis entspricht nur dem der Steuerung und des Lasers. Der Preis für Fräse selbst ist nicht berücksichtigt!

Du brauchst

Werkzeuge

Hilfsmittel

Seitenschneider

Materialliste

Diodenlaser 5500mw 450nm
Netzteil 12V mind. 5A
Kabel & Stecker
Aderendhülsen

Schritt 1 9

Die Ausgangslage

Die Baubasis ist eine chinesische CNC-Fräse vom Typ 2418. Die Werte geben die Fläche des Frästisches an, also 24x18cm.

Ursprünglich wurde die Fräse angeschafft, um kleinere Objekte mit der Frässpindel zu bearbeiten. Leider ist der Spindelmotor der Maschine nicht wirklich brauchbar und eher in Richtung Spielzeug einzuordnen. Auch die Konstruktion des Rahmens ist nicht dafür ausgelegt, mit einigermaßen Abtrag Materialien zu fräsen.

Eigentlich ein Fall für die Tonne. Da die Kiste aber nicht ganz billig war, wollte ich das Teil irgendwie weiter nutzen.

Da ein Laser bei der Arbeit keine Belastungen auf die Achsen der Fräse ausübt, ist diese Umrüstung die beste Weiterverwertung der Maschine.

Schritt 2 9

Die Steuerung

zerstörter Microprozessor des Spannungswandlers

CNC-Shield V3 mit zwei Motortreibern DVR8825 und angeschlossener Spannungsversorgung

Ursprünglich ist die Fräse mit einer Woodpecker 3.2A GRBL Steuerung ausgestattet. Diese ist für Laser und Frässpindeln bis 36V ausgelegt. Mitgeliefert wurde ein 24V 5A Netzteil, das über eine StepDown-Schaltung auf dem Mainboard den Angeschlossenen Geräten 12V bzw. 5V zur Verfügung und für die Frässpindel die erhöhte Spannung von 24V zur Verfügung stellt.

Leider verabschiedete sich die originale Steuerung beim Anschluss des Lasers mit einem lauten Knall, bei dem sich die Spannungsregelung auf dem Board zerlegte. Das lag aber nicht an einem falsch angeschlossenen Laser, sondern wohl eher an einem Defekt oder zu schwach ausgelegter Spannungsversorgung des Mainboards

Als Alternative hatte ich noch einen Arduino Uno und ein CNC-Shield samt DVR8825 Motortreiber liegen, mit der ich die defekte Steuerung ersetzen konnte. Ursprünglich war die Steuerung für meine mostly printed CNC Fäse gedacht, die zur Zeit noch in Einzelteilen auf den Zusammenbau wartet. Da die Arduino CNC-Steuerplatinen und die Arduino selbst sehr günstig sind, habe ich aber noch zwei Steuerungen liegen, die später in die MPCNC eingebaut werden können.

Der Arduino Uno wurde dazu mit einem passenden Bootloader über die Arduino IDE geflasht.

https://github.com/gnea/grbl

Der Arduino selbst wird über den USB-Port des angeschlossenen Computers mit Strom versorgt, das CNC-Shield benötigt für die Ansteuerung der Steppermotoren und des Lasers eine 12V Spannungsversorgung. Ich nutze ein vorhandenes Schaltnetzteil von MeanWell mit 12V und 8,5A. Mehr als genug Leistung für Steuerung, Motoren und den Laser.

Das Netzteil wird direkt an das CNC-Shield angeschlossen, gibt aber keine Spannung an den Arduino ab, da dieser auf mehr als 5V recht alergisch reagiert. Die Entwickler haben zwar einen externen Anschluss für ein Netzteil vorgesehen, über den man angeblich bis zu 12V einspeisen kann; vertragen tut der Adruino das aber nicht wirklich.

Schritt 3 9

Der Laser

Laseroberteil mit Steuerplatine und Lüfter

Der Laser ist ein 5500mW Diodenlaser mit 450nm Wellenlänge. Der Laser arbeitet mit PWM (PulsWeitenModulation). Das bedeutet, dass die Steuerung den Laser sowohl ein- und ausschalten kann, als auch über die Software die Intensität des Laserstrahls regeln kann. Das ist sehr hilfreich beim Einsatz einer Software, mit der man auch Grafiken brennen will, da es dadurch möglich ist, auch Graustufen abbilden zu können und nicht bloß schwarz und weiß.

https://www.gearbest.com/laser-engraver-&-cnc/pp_009488268975.html?wid=1433363

Die Spannungsversorgung des Lasers erfolgt beim Arduino nicht über die Steuerplatine, sondern direkt vom Netzteil. Die PWM (oder auch TTL) wird über das CNC-Shield gesteuert. Da der Laser etwas stromhungriger ist, würde ein Anschluss an das CNC-Shield die Steuerung so stark belasten, dass sie zerstört werden kann. Somit wird nur die Leitung für die Pulsweitenmodulation angeschlossen, damit der Laser über die Software gesteuert werden kann

Schritt 4 9

Anschluss der Steppermotoren und des Lasers an das CNC-Shield

Die Steppermotoren der X- und der Y-Achse werden an die entsprechenden Anschlüsse neben den Motortreibern am CNC-Shield angeschlossen. Die PWM wird vom Laser auf den Pin D11 (Endstop Z+) gelegt.

Die Z-Achse wird beim Laser nicht benötigt, da der Laser ja nicht in der Höhe verfahren wird. Daher wird auch kein Motortreiber für die Z-Achse auf dem Board benötigt.

Die Steppermotoren sind Bipolar ausgelegt, somit kann man bei den Motoren, sofern sie in die falsche Richtung fahren, einfach durch drehen des Steckers am Motoranschluss oder auf der Steuerungsplatine, die Laufrichtung umdrehen.

Die Motortreiber gibt es in zwei Ausfertigungen. Einmal den A4988 und den von mir verwendeten DVR8825. Es können für diese Schaltung problemlos beide Treiber genutzt werden, da die Stromaufnahme der Motoren bauartbedingt recht gering ist. Nützt man aber größere Schrittmotoren, wird es wieder relevant. Der A4988 liefert nur Ströme bis 1,3A, der DVR8825 zuverlässig bis 2,2A, was für Aufbauten mit größeren Schrittmotoren, wie meine MPCNC, sehr wichtig ist. Da die Steuerung ja ursprünglich für die andere Maschine gedacht war, sind auch hier die stärkeren Treiber verbaut; zumal die besseren Treiber, aus China bestellt, nur minimal teurer sind, aber zuverlässiger laufen.

Zusätzlich ist noch zu erwähnen, dass die DVR8825 eine höhere Auflösung an Schritten ermöglichen, als die A4988.

Die hier verbauten NEMA 17 Schrittmotoren haben ein Schrittweite von 1,8Grad je Vollschritt. Die A4988 können diese Schritte bis zu 1/16 auflösen, die DVR8825 bis zu 1/32. Für diese Fräse mit dem Einsatzzweck von der Auflösung nicht wirklich relevant, da ich die Steuerung nur auf 1/16 eingestellt habe, aber wichtig bei der Einstellung der gewünschten Schrittauflösung, da die Jumper für die Schritte anders konfiguriert werden müssen.

Schritt 5 9

Justierung des Lasers

Nach dem EInbau des Lasers muss die Linse so eingestellt werden, dass der Strahl möglichst klein auf das Objekt trifft. Hierzu wird der Laser über das Drehrad an der Laserplatine eingeschaltet und auf kleinstmöglicher Leistungseinstellung auf das zu gravierende Objekt fokussiert. Danach kann über das Einstellrad an der Linse der Laserstrahl passend auf das Objekt eingestellt werden.

Der Laser hat so viel Kraft, dass man theoretisch auch ohne große Fokussierung brennen könnte, aber ein schlecht fokussierter Laser macht breite Spuren und die Ränder der Laserspur wirken nicht sauber.

ACHTUNG: Auch hier ist zwingend eine Schutzbrille zu tragen!! Die Leistung ist in dieser Einstellung zwar so gering, dass auf der Haut und am Objekt keine Verbrennungen entstehen können. Die Augen können trotzdem sofort und unwiederbringlich geschädigt werden!

Danach ist der Regler am Laser wieder so weit runter zu drehen, dass das Laserlicht nicht mehr leuchtet, der Laser aber weiterhin eingeschaltet ist.

Schritt 6 9

Die Steuerungssoftware

Ich nutze für die Steuerung des Lasers die freie Software LaserGRBL. Hier können Grafiken in fast jedem Format eingelesen und zu einem für den Laser verarbeitbaren G-Code umgewandelt werden.

Zusätzlich kann man beim Lauf des Lasers an der angezeigten Grafik in Echtzeit sehen, wo und bei welchem Schritt der Laser gerade ist. Das hat den großen Vorteil den Fortschritt nachzuverfolgen, auch wenn der Gravierer (wie zukünftig bei mir) in einem geschlossenen Gehäuse steht, um vor der Streustrahlung des Lasers geschützt zu sein.

Über die Software kann auch die Größe des späteren Objektes skaliert werden, ob Bereiche mit „gefüllt“ werden sollen, oder, wie in meinem Fall, bei der Grafik nur die Umrisse gefahren werden.

https://github.com/arkypita/LaserGRBL

http://lasergrbl.com/de/

Mit der Software können Fräsen mit Spindelmotoren als auch Laser gesteuert werden. Hierzu bedarf es aber Anpassungen in der Software, die u.a. auf der Wiki-Seite des Entwicklers nachzulesen sind. Ich empfehle für Nachbauer, zuerst genau die (englischsprachige) Anleitung zu lesen, bevor man den Laser in Betrieb nimmt. Es erspart unnötiges Suchen und einiges an Frustration. ;-)

Der G-Code enthält, wie auch beim 3D-Drucker, die Steuerbefehle für die Maschine. Links im Bild kann man die Steuerbefehle, die an die Maschine gesendet werden, noch erkennen.

Schritt 7 9

Laser beim Gravieren

Übungsstücke und missglückte Brennversuche

Nach einigen Probeschüssen, die nicht ganz dem gewünschten Ergebnis entsprachen, hatte ich schon nach kurzer Zeit Erfolg und konnte eine geladene Grafik auf ein Stück Restholz brennen.

Einige Einstellungen müssen noch gemacht werden, da derzeit die vorgewählte Größe des Bildes noch nicht dem entspricht, was schließlich auf dem zu gravierenden Untergrund landet.

Man muss sich bei den Einstellungen zur Leistung und zur Geschwindigkeit etwas herantasten, um gute Ergebnisse zu erzielen. Bei mir hat es für dieses Stück auf dem Buchenabschnitt relativ schnell geklappt, was aber für andere Untergründe/Materialien nicht zwingend auch passen muss.

In späteren Versuchen werde ich mit dem Laser auch versuchen unterschiedliche Materialien (Sperrholz, Plexiglas, Papier, Pappe) zu schneiden. In einem Forum habe ich auch gelesen, dass man, mit entsprechender Vorbehandlung, auch Metall gravieren kann, obwohl diese einfachen Diodenlaser dafür eigentlich nicht ausgelegt sind.

Schritt 8 9

Arbeitssicherheit

Laserschutzbrille nach DIN EN 207 2017 (links) und Chinaschutzbrille (rechts)

Beim Arbeiten mit Lasern könne die Augen in Bruchteilen von Sekunden schwer geschädigt werden. Der von mir verwendete Laser hat eine Ausgangsleistung von 5500mW.

Zum Vergleich: Laserpointer haben in Deutschland i.d.R. 5-10mW Leistung und können schon die Augen schädigen.

Die Strahlung des Lasers, auch indirekte Strahlung oder Spiegelungen von umstehenden Geräten oder Oberflächen, können schon innerhalb von Sekundenbruchteilen die Augen so schwer schädigen, dass man erblindet.

Daher darf die Strahlung nicht auf die leichte Schulter genommen werden und es müssen die Augen zwingend geschützt werden.

Die Lieferanten dieser Laser legen zwar den Lasern Schutzbrillen bei. Diese sind jedoch nicht mal für die Justierung des Lasers brauchbar. Mit ihnen könnte man im Höchstfall die Linse der Kamera schützen.

Für den persönlichen Schutz vor der Strahlung sollte man zwingend eine Laserschutzbrille nach DIN EN 207 :2017 kaufen, die dem Wellenbereich des Lasers (in meinem Fall 450nm) entspricht.

Solche Brillen kosten zwar zwischen 70 und 150€, aber das Augenlicht ist durch nichts zu ersetzen.

Es werden auch Brillen nach DIN EN 208 2017 angeboten, die auch deutlich günstiger sind. Diese Brillen sind aber nicht für das Arbeiten an Lasern geeignet, sondern sind nur sogenannte Justierbrillen, die nur bei einer sehr geringen Strahlungsintensität beim Justieren der Laseroptik schützen.

Daher spart nicht am falschen Ende und somit an eurer Gesundheit und dem so wertvollen Augenlicht.

Schritt 9 9

To Do

Ein paar Sachen stehen noch an, um die Graviermaschine fertig zu stellen. Ich muss mir noch ein Gehäuse mit Lüfter für Netzteil und Steuerung über meinen 3D-Drucker erstellen, um die Technik sicher unterzubringen. Auch werden noch (bereits vorhandene) Endschalter an der Maschine angebracht, um zu verhindern, dass die Fräse versucht, über die Endpunkte hinauszufahren, was leider bereits das eine oder andere Mal passiert ist und recht ungesund für die Steppermotoren ist.

Des weiteren steht noch ein lichtdichtes Gehäuse an, in dem ich zukünftig den Laser betreiben will, um nicht ständig mit der Schutzbrille herumlaufen zu müssen. Das Gehäuse wird auch eine Abluft haben, da das Brennen in Holz doch recht geruchsintensiv ist und ich den Kokelduft nicht in der Werkstatt haben möchte. Auch andere Materialien werden sicher beim Erhitzen mit dem Laser Gerüche freisetzen, die nicht unbedingt der Gesundheit zuträglich sind und ich diese Dämpfe deshalb ebenfalls nicht in der Werkstatt haben möchte.

Zusätzlich stehen noch Justierarbeiten an der Steuerungssoftware an, damit die Laufschritte der Maschine zu den Schrittentfernungen der Software passen. Derzeit muss ich die Grafiken in der Software um ca. 30% größer einstellen, um sie im gewünschten Format ausgeben zu können. Es bleibt also noch einiges zu tun.