Самодельный лазерный гравировальный станок с ЧПУ. Модернизация

Сидел я значицо как то раз, пересчитывал свои миллионы с ютуба, под монотонный шум чпу фрезера, потягивал прохладный пивис и вдруг подумал, надо двигаться дальше! Я понял хочу чпу лазер и не простой, а углекислотный такой чтобы прямо ууух.

Полез посмотреть цены на станки на алиэкспрессе, начинаются они в районе 30 тысяч, за это сумму можно взять станок с рабочим полем 300 на 200мм, и это даже не смешно, у моего 3д принтера стол больше, дальше присутсвует забавная тенденция, за каждые дополнительные 10см рабочей области нужно выложить из своего кармана примерно 10 тысяч.

Чтобы было полностью понятно насколько это абсурдно, давайте в кратце расскажу как работает такой станок, у нас есть прямоугольный каркас из алюминивого профиля, на него с двух сторон параллельно друг другу устанавливаются направляющие, на них в свою очередь кладется, ложется, покладается перекладина на которой тоже есть направляющая. где нибудь вот тут на корпусе станка крепится лазерная труба, лучик вылетает из нее, отражается от зеркала которое стоит вот тут, летит на второе зеркало и с него в третье, отражаясь от которого попадает в линзочку, фокусировавыется и жгет материал, достаточно просто, правда? Я тоже так думаю, особенно учитывая что конструкция не требует такой особой жесткости, как допустим фрезер, здесь из стороны в сторону мотыляется небольшое зеркальце и линза а не 20кг кусок стали.

А теперь внимание вопрос, с чего вдруг стоимость станка будет значительно отличаться в зависимости от рабочего поля? А с того что спрос на нормальное рабочее поле значительно больше. Стоимость комплектующих при этом меняется незначительно, алюминевый профиль стоит в районе 300р за метр, направляющие даже с учетом того что вы возьмете рельсы обойдется гдето в 2-3 тысячи за метровую палку, а если собирать на роликах то в принципе никакого удорожания конструкции, все остальные компоненты остаются одинаковые, те же самые зеркала, те же моторы, тот же лазер. Все это подталкивает к мысли, что если есть минимальный навык работы руками то имеет смысл собирать станок самому, а не переплачивать 100500 тысяч.

Что понадобится для сего развлечения? Основная часть барахла взята в Китае и полный список с ссылками можно найти ТУТ , например были куплены направляющие, гайки, моторы, линзы, зеркала, блоки питания, лазер, помпа для охлаждения. Алюминивый профиль имеет смысл покупать по месту проживания т.к. он достаточно тяжелый и пересыл выйдет дорого. А так же походу можно докупить всякую мелочь в ближайшем строительном. се крепежи для моторов, электроники, ремней, линз и прочего я напечатал на 3д принтере пластиком петг, были сомнения что все это сможет нормально работать, и обеспечить удобоваримую точность, но спустя пару месяцев полет нормальный, даже такая штука как сопло через которое проходит лазерный луч и обдув справляется нормально.

Естественно перед тем как все это напечатать необходим сделать 3д модели чем я и занимался длительное время, все узлы пережили кучи переделок, перепечаток в общей сложности я извел где то 2-3кг пластика, файлик для фьюжена будет доступен для поддержавающих меня на BOOSTY Понятное дело вряд ли кто-то будет повторять точную копию моего творения, но как минимум можно посмотреть и так сказать пощупать все детали, может что-то доработать.

Сделать гайд по сборке станка под конкретные задачи каждого невозможно, поэтому я расскажу как собирал свой с описанием плюсов и минусов выбраных решений, я прикинул необходимое мне рабочее поле, остановился на размере 800 на 700мм, в качестве каркаса взял конструкционный алюминивый профиль 20 на 40, его жесткости вполне хватает, но для аппаратов побольше нужно будет выбрать профиль посолиднее, крайне не рекомендую выдумывать что-то свое, безусловно можно сделать каркас из какого нибудь металла с помойки, или из фанеры, но блин профиль стоит 300р за метр. В моем случае потребовалось 2 палки по 840мм, 2 по 700мм и одна 800мм, для соединения профиля используются специальные уголки и гайки которые при закручивании разворачиваются и зажимаются в профиле.

Далее определяемся какой тип направляющих будем использовать, я взял рельсы, это самый дорогой вариант, плюсы — практически не убиваемы, отсутсвуют люфты, максимально плавное движение, минусы соответсвенно цена и большой такой шанс, что китайцы пришлют вам ерунду которая будет работать очень плохо и вы их просто выкините, в списке всех компонентов вы найдете ссылку на направляющие которые брал я, несмотря на низкую цену они очень хорошие и у меня нареканий нету, хотя не исключаю вариант, что мне могло просто повезти. Еще не плохой вариант для такого типа станка это обычные прорезиненные ролики, как часто используют на 3д принтерах, это очень дешево, легко в обслуживании и замене и тем не менее выдает достаточное качество. Как уже говорил 90% механики было напечатано на 3д принтере, заполнение максимальное, рекомендую еще прикупить если нету сопло 0.8мм чтобы печать шла побыстрее. Предвкушая классические комментарии про то что принтер есть не у всех, хочу сказать, что было бы желание, даже при постройке такого станка вполне можно обойтись без принтера и сделать все ручным инструментом, только смысла в этом не вижу, принтеры сейчас очень дешевые, например можете глянуть обзор мой обзор на CR-10, на котором печатались все детали. 3д принтер это отличный инструмент который должен быть у каждого, так же не стоит забывать про различные сервисы которые предоставляют 3д печать на заказ.

Вот тут сзади на раме установлен мотор оси У, для того чтобы одновременно толкать ось с двух сторон я поставил тут обычную 8мм шпильку на подшипники и к ее концам прикрутил шкивы которые тянут ремень и саму ось, на обратной стороне есть крепление под шкив с подшипником. При таком раскладе перекос оси невозможен.

Ось Х вроде не должна вызвать сложности, мотор с одной стороны, шкив с подшипником с другой, посередине лазерная бошка с креплением для ремня.

Все крепления для зеркал сделаны под 20мм и имеют регулировку, между их базой и самим креплением я положил подрезанные пружины от гелевых ручек, для удобства регулировки. Чутка остановимся на бошке, я долго выдумывал как ее правильно сделать и пока остановился на таком варианте, она состоит из 5 частей, самый верх крепиться к подшипнику и имеет внутри сквозное отверстие для прохода лазерного луча, под углом в 45 градусов устанавливается зеркало, снизу на 4х винтах прикручивается вот такая трубка, на нее сожается трубка потолще, здесь есть отверстия для фиксировочных болтов, но на практике трубки плотно притираются друг к други и можно обойтись без болтов. Самая последняя часть это цилиндр сверху в него закладываем уплотнительное кольцо и фокусировочную линзу так же 20мм диаметром, сбоку входит трубка от компрессора, вся эта конструкция крепиться к базе посредством 2х резинок, дно у нее глухое, это сделано специально, чтобы при первом включении лазер сам прожег себе путь наружу и тем самым сформировал минимально отверстие через которое будет выходить воздух компрессора.

Вроде по механике все, переползаем к электронике, сердце этого станка это контроллер который будет слать комманды шаговым двигателям, передвигать оси и включать в нужный момент лазер, я бы рекомендовал купить готовый контроллер у китайцев, не поскупиться, потратить баксов 200 и взять вещяру, с дисплеем, космическими скоростями и слотом под карту памяти. 

Но как всегда существует альтернатива из говна и палок, ГРБЛ, на самом деле это прекрасная платформа и работает просто отлично, но с некоторыми оговорками, лазер у нас будет не какой нибудь слабенький диодный, а сраная трубень на 40Вт которой можно палец отчикрыжить, так вот если допустим заниматься гравировкой по дереву или акрилу при настройке режима мы столкнемся с такой штукой, что при попытке увеличить скорость больше примерно 5000мм в минуту лазер быстрее уже не едет, в начале работы мне показалось что и так дохрена! понятное дело после гравировки на 3д принтере с максимальной скорость 400мм. Но сейчас это реальное ограничение, самое большое время занимает гравировка и его можно сократить чутка увеличив мощность и значительно увеличив скорость. Происходит такая подстава из-за того что ардуина нано на которой собран мой контроллер просто не способна обработать больше данных, это ее физический предел. Однако решение вроде бы есть, существуют варианты грбл для плат ардуино мега2560, для ESP32 и для STM32f103, вобщем не буду сейчас грузить вас всем этим, в будующем сделаю отдельное видео по контроллерам, просто на 32х битных системах скорости работы можно поднять раза в 4, что уже сравнимо с промышленными платами, так же есть варианты с дисплеями и с картами памяти. 

В любом случае помимо мозга вам понадобятся драйвера для шаговых двигателей, я использовал TMC2208, я думал, что врублю деление шага на 256 и буду делать 100500 линий на 1мм, но как видите контроллер такое просто не вытягивает и я бы на вашем месте не переплачивал, ставьте классику А4988 и будет все отлично. Моторы у меня простенькие нема17 с валом 5мм. Шаговики я питаю напряжением 24в вот таким вот импульсником, так же он питает водяную помпу. В системе есть отдельный блок питания 12в 400вт, предполагался он для системы охлаждения на модулях пельтье, но у меня ничего с ними не вышло вразумительного, может попозже продолжу эксперименты, на данный момент этот блок питает компрессор, для обдува рабочей поверхности. Так же я оставлю ссылку на похожий компрессор на 220в. Если вы выбрали собирать бомж вариант на грбл, как и я, то тут все максимально просто, гуглим ардуино нано грбл и паяем все по схеме, там буквально десять проводков и гайдов куча, подключение к лазерному блоку питания выглядит вот так. Важно установить заземление на станок, не имеет значения какую плату выберете, это крайне важно иначе будут выползать различные артефакты в виде пропусков шагов, зависаний и прочего.

Далее переползаем к лазеру, тут я выбрал трубу на 40вт, заказывал ее тоже с али, доставкой из России, приехала она за пару дней и все было отлично, так что не бойтесь заказывать, спустя некоторое время, я бы пожалуй взял трубу помощнее, ватт эдок 80, это позволит резать фанеру вплоть до 10мм, а может и толще, с 40вт лазером, адекватно работать с материалами в районе 4мм, далее приходится занижать скорость и завышать мощность что негативно скажется на сроке службы трубки. Но тут как бы все зависит от ваших целей.

Очень важный момент, трубу нужно охлаждать ее рабочая температура в районе 17 градусов, меньше можно — даже мощность будет возрастать, больше нельзя, сильно повышается износ, у меня для охлаждения используется помпа ко китайским заверениям 800л мин, чему я конечно не верю, но факт что ее хватает и она бесшумная. В качестве охлаждающей жидкости рекомендуется использовать дистилированную воду, я использую незамерзайку, вариант так себе, многие критикуют, но в гараже зимой температуры падают далеко за 0 и лазер бы просто разорвало льдом. Зимой у меня с охлаждением все было четко, но вот грядет лето, и придется что-то выдумывать, вариант покупки охлаждения за 30 тысяч я не рассматриваю, на примете есть охлаждение для пива, бушное стоит от 5 тысяч, идеально подойдет и второй вариант переделка кондиционера, тоже как вариант, можно найти тысячи за 2-3. Сниму отдельный видос как я решу эту проблему. Лазер питается высоким напряжением, в несколько десятков тысяч вольт, это следует учитывать, и при работе быть максимально осторожным. Блок питания я советую просто купить у китайцев под свою трубку, они стоят в районе 40 баксов. Так же опционально я взял стрелочный амперметр на 30мА и подключил его в разрыв высоковольтной линии, чтоб видеть что там происходит на трубке.

Далее предстоит сборка, ее я начал с алюминивой рамы, убедился что углы 90 градусов, повесил рельсы, и все печатные детали согласно 3д модели. Ось х у меня крепиться болтами м6 30мм, предварительно в профиле нарезал резьбу. Сделал ящик из фанеры 10мм, не лучший вариант, но все же по дешману, самая ответственная задача расположить на одной оси лазерную трубу и все зеркала, к этому этапу подойдите внимательно так как позже задолбаетесь с настройкой. Так же аккуратно крепим алюминивую раму на напечатаные кранштейны. Сверху я накинул крышку из поликарбоната, он непроницаем для лучаей нашего лазера, так что можно не боясь пялиться на него сквозь крышку. Устанавливаем электронику, протягиваем провода, подключаем. А теперь самый занимательный процесс, в ковычках, отключаем колодку проводом идущим на низковольтную часть высоковольтного блока питания, подаем напряжение на него и на помпу для охлаждения, цепляем кусок малярного скотча на то место где должно быть установлено первое зеркало, и тыкаем на кнопку тест на лазерном блоке питания, теперь двигая трубу добиваемся момента чтобы луч попадал строго по центру, когда это получилось, устанавливаем зеркало на свое место при помощи двустороннего скотча, добиваемся попадения по центру на втором зеркале, но теперь на протяжении всей рабочей плоскости, если это не получается значит нарушена геометрия станка и зеркала не на одной оси, исправляем это и продолжаем. Крепим зеркало, добиваемся попадения по центру в голову, в четырех углах станка и по центру рабочего поля, последнее зеркало стреляет вниз, я ложил снизу обычное зеркалце чтобы было видно скотч и на максимально выдвинутом сопле добивался попадения в центр, звучит как лютый геморой, но по факту я с этим справился за пару часов и больше к зеркалам можно не прикасаться.

Последний элемент оптической системы это линза, они бывают на разное фокусное расстояние от 38.1мм до 101.6мм, если представить как распространяется луч, то ставится понятно их отличие и области применения, линзы с коротким фокусом в основном приминяются для гравировки, а с длинным для реза, т.к. область луча с высокой концентрацией будет больше и соответственно материал можно прожигать глубже. Я для начала рекомендую взять 50.8мм можно нормально и гравировать и резать.

Линзу нужно охлаждать, для этого в сопло подается воздух из компрессора, одновременно он дует на рабочую поверхность и выдувает продукты горения. На компрессор нужно повесить фильтр, иначе частички масла будут осаждаться на линзе и в итоге она придет в негодность. Кстати все действа что я сейчас описал должны в обязательном порядке происходить в защитных очках под 10600нм, именно такая длина волны у данного лазера, весь процесс омрачается тем что лазер невидим человеческим глазом. После юстировки, подключаем обратно высоковольтную плату, настраиваем значения шагов на миллиметр в грбл для каждой оси, выставляем зазор от сопла до поверхности реза и можно запускать программу! Еще хочу пройтись по моментам которые можно улучшить, как я уже говорил это контроллер, я заказал несколько разных плат, проведу тесты и все покажу по этой теме, крепления для линз, я конечно проделал отличную работу, но покупные крепления будут получше, так что если не жалко баксов 50, купите нормальные, станок требует вентиляцию рабочей поверхности, я купил вот такой вентулятор на 20вт ну и как бы, он абсолютно ничего не вытягивает, нужен нормальный ветродуй. Еще момент, нужен нормальный стол из ламелей, подкладывать под всякую херню под детали это конечно здорово, но нет, про стол тоже сделаю видос. Давайте подведем итоги, потрачено 342 бакса на детали с али по старому курсу это 22тысячи, плюс накинем 5к на все что было куплено на месте, лист фанеры, вентилятор, алюминивый профиль, болтики, гаечки и все вот это, итого 27к на сборку станка с полем 700 на 800мм, поглядим что предложит китайская промышленость, допустим вот такая моделька с полем 1000мм на 600мм, да тут труба 100вт, ну давайте баксов 400 вычтем, охладитель cw3000 это воздушный аппарат, т.е. по сути вам продают радиатор с вентилятором и канистру для жижи, это можно сделать самому, действительно охлаждает модель 5000, в любом случае даже если взять 2к баксов это 130к по старому курсу и 160к по новому, против грубо говоря тридцатки у меня. Надеюсь хоть что-то было понятно, и кто-нибудь захочет повторить этот проект.