Лазерный резак из 3d-принтера. Часть первая, хардварная

После публикации моей истории у публики возник неподдельный интерес к тому, как добавить функцию лазерной резки к 3d-принтеру. Подобный опыт на ресурсе уже был, я решил его переосмыслить и дополнить. Основная идея - установить лазер не вместо, а вместе с экструдером и заставить все это работать без перестановок железа, создания отдельного координатного стола и без модификаций оригинальной прошивки принтера.

Можно было бы поступить так же, как и автор вышеупомянутой статьи - взять готовый набор лазер+драйвер. Такое решение имеет право на жизнь, и у него есть преимущество в виде простоты, но и недостатки тоже есть. О них - ниже.

В этой части опишу все железо, необходимое для подобной модификации, нюансы выбора, установки и настройки, но прежде всего:

Автор не несет ответственности за выжженную сетчатку, потерю зрения и прочие увечья, которые можно получить, не соблюдая технику безопасности. Всегда используйте защитные очки при работе с лазерами.

И помните, что очки защищают только от отраженного света, так что не направляйте лазерный луч себе в глаз. Для синего лазера нужны красные очки. Например, такие.

Лазерный диод

Начну с самого дорогого компонента. Опустим бесчисленное множество параметров, приведенных в даташите и обратим внимание лишь на некоторые:

Мощность. Самый главный параметр. Чем больше мощность - тем быстрее можно резать/выжигать. тем больше глубина реза за проход и прочее. Для себя я решил, что меньше 1,6Вт рассматривать не стоит, ибо всегда должен быть запас, и чем больше - тем лучше.

Длина волны. Для самодельных резаков чаще всего используются лазеры с длиной волны в 445-450нм. Для них полно линз, и их свечение находится в видимом спектре. От выбора цвета зависит то, как хорошо лазер будет резать материалы определенных цветов. Например, синий лазер не очень хорошо справляется с синим оргстеклом и прочими синими поверхностями, т.к. его излучение не поглощается материалом.

Номинальный рабочий ток. Обычно пропорционален мощности. Для 1,6вт-диодов характерен ток 1,2А. У 3,5Вт номинальный ток 2,3А. Этот параметр важен при выборе драйвера. За более точной информацией стоит нужно посмотреть datasheet конкретного лазерного диода.

Тип корпуса. Наиболее распространенные - TO-5 (9мм), TO-18 (5,6мм - его иногда называют To-56). Влияет на подбор лазерного модуля.

Приведу несколько типичных лазерных диодов:

TO-18 1,6W OSRAM PLTB450B TO-5 1,6W Nichia NDB7875 TO-5 3,5W Nichia NDB7A75

Драйвер лазерного диода

Драйвер лазерного диода мало отличается от драйвера обычного светодиода и представляет собой источник постоянного тока. Единственное отличие - у него зачастую есть возможность управления через TTL. Собственно, наличие TTL-управления - это одно из основных требований при выборе драйвера. Еще два требования - напряжение питания и максимальный выходной ток. С напряжением все достаточно просто - большинство 3д-принтеров используют 12-вольтовое питание. Следовательно, стоит искать драйвер на 12в. Максимальный выходной ток должен быть выше номинального тока диода, чтобы полностью раскрыть его мощность в процессе настройки.

Пара вариантов драйверов:

12V 2A 12V 5A

Модуль и крепление

Здесь небольшое лирическое отступление. Причина, почему рассматривается сборка из отдельных компонентов, а не покупка готовой связки драйвер+лазер, кроется в размерах лазерного модуля в подобных наборах. 40х40х70мм - слишком много для крепления вместе с экструдером. Набор можно было бы рассмотреть в случае построения отдельного координатного стола конкретно для резака. В случае с шаговым двигателем на каретке масса оной становится довольно большой. А чем больше масса - тем больше инерция, что не есть хорошо.

Модуль. Нам нужен модуль 12х30мм. Стоит обратить внимание на то, для какого он типа корпуса (TO-5/18 и т.д.), а также для какой длины волны он предназначен. Бывают как модули как для широкого диапазона длин волн, так и для какой-то одной конкретной.

Как обычно, пара примеров:

TO-18 универсальный TO-5 универсальныйКрепление. Оно же - радиатор. С обдувом даже для 3,5Вт-лазера такого радиатора достаточно, он греется где-то до 50 градусов.

Крепление Еще одно крепление

Установка

Вариантов установки крепления для лазера великое множество. Тут стоит даль волю инженерной мысли и чего-нибудь придумать. Обязательно предусмотрите вентилятор над лазером, он нужен как для его охлаждения, так и для того, чтобы сдувать дым из рабочей области. О подключении и управлении доп.вентиляторами читайте здесь.

Можно примотать стяжками, но лучше сделать жесткое болтовое крепление с переходной пластиной, наподобие того, как это сделал я:

Универсального варианта тут нет, но есть несколько критичных моментов, которые нужно соблюсти:

1. Нужно закрепить модуль как можно ниже, на уровне сопла, точнее, чуть выше его, оставив место для регулировки линзы (около 1см). Это связано с фокусным расстоянием - отдалить модуль по Z мы можем всегда, а вот приблизить будет проблемой, если регулировки не хватит. Я об этом не знал, и регулировки хватило едва-едва.

2. Лучше всего закрепить модуль соосно с экструдером - тогда пострадает размер рабочего хода только одной из осей. И чем ближе к экструдеру - тем меньше 'штраф'.

С подключением все просто, питание на драйвер согласно полярности, подключение диода согласно полярности. Соблюдайте полярность, в общем. Управляющий TTL провод - к контакту D4, D5, или D6 в случае, если у вас RAMPS. Покажу на примере, как это выглядит у меня (TTL-управление на D6):

Настройка тока лазерного диода

После того, как все установлено и подключено, можно заняться настройкой тока. Для этого выкрутите линзу у лазера и/или подложите под него кусок кафельной плитки, чтобы он чего-нибудь не прожег. Также нужно включить в разрыв 'минусового' провода лазерного диода амперметр (см. схему выше). Можно временно подключить мультиметр, а можно поставить отдельную измерительную головку, как это сделал я. И не забудьте одеть защитные очки. Алгоритм такой:

1. Включаем принтер.

2. В Pronterface пишем M42 P* S255 , где * - номер контакта, к которому подключен управляющий TTL провод драйвера

3. Берем отвертку и начинаем медленно вращать маленький подстроечный резистор на плате драйвера, попутно поглядывая на показания амперметра. Если это этот драйвер, то ток до включения лучше выкрутить в 0 (против часовой стрелки до щелчков), т.к. в нем по умолчанию выставлено 2А, что может спалить 1,6Вт-диод.

4. Выставляем по амперметру номинальный ток своего диода и пишем M42 P* S0 для его отключения. (* - см. выше)

5. Отключаем мультиметр от цепи (опционально).

Настройка фокуса лазера

Тут все достаточно индивидуально. Фокус можно настраивать как перед каждой операцией резки, так и единожды, потом просто передвигая каретку по Z в зависимости от толщины обрабатываемого материала. Также есть разные подходы к настройке фокуса по детали: можно выставлять фокус по верху заготовки, а можно по середине. Я выставляю по верху, т.к. редко что-либо режу и меня не беспокоит расфокусировка при опускании луча в материал.

Настраивается так:

1. Загоняем все оси в home ( G28 ).

2. Поднимаем каретку. Величина поднятия зависит от толщины обрабатываемого листа. Я не предполагал на своем принтере обрабатывать ничего толще 6мм (по фанере выжигать), поэтому поднял каретку чуть выше - на 8мм. Команда для поднятия - G1 Z8, ну или просто потыкайте стрелочки в Pronterface.

3. Кладем заготовку, закрепляем канцелярскими зажимами, наводим лазер на нее.

4. Включаем лазер. Много мощности на этом этапе не требуется, должна быть четко видна точка. M42 P* S1

5. Крутим линзу до тех пор, пока луч не сфокусируется в маленькую точку. Если не хватает регулировки - поднимите каретку еще где-нибудь на 5-10мм, и снова покрутите линзу.

Итого сборка, подключение и настройка завершены. В следующей статье будет руководство по подготовительным командам и обзор софта для работы с лазером.

To be continued