Изготовление лазерного гравёра своими руками

Устройство и принцип работы

Главным элементом гравёра является полупроводниковый лазер. Он испускает сфокусированный и очень яркий луч света, который прожигает обрабатываемый материал. Регулируя мощность излучения, можно изменять глубину и скорость прожига.

В основе лазерного диода лежит полупроводниковый кристалл, сверху и снизу которого находятся P и N области. К ним подсоединены электроды, по которым подводится ток. Между этими областями расположен P — N переход.

В сравнении с обычным лазерный диод выглядит великаном: его кристалл можно подробно рассмотреть невооружённым взглядом.

Расшифровать значения можно следующим образом:

1. P (positive) область.
2. P — N переход.
3. N (negative) область.

Торцы кристалла отполированы до идеального состояния, поэтому он работает как оптический резонатор. Электроны, стекая из положительно заряженной области в отрицательную, возбуждают в P — N переходе фотоны. Отражаясь от стенок кристалла, каждый фотон порождает два себе подобных, те, в свою очередь, тоже делятся, и так до бесконечности. Цепная реакция, протекающая в кристалле полупроводникового лазера, называется процессом накачки. Чем больше энергии подаётся на кристалл, тем больше её накачивается в лазерный луч. В теории, насыщать его можно до бесконечности, но на практике все обстоит иначе.

При работе диод нагревается, и его приходится охлаждать. Если постоянно наращивать подаваемую на кристалл мощность, рано или поздно наступит момент, когда система охлаждения перестанет справляться с отводом тепла и диод сгорит.

Мощность лазерных диодов обычно не превышает 50 Ватт. При превышении этой величины становится сложно сделать эффективную систему охлаждения, поэтому мощные диоды чрезвычайно дороги в производстве.

Существуют полупроводниковые лазеры на 10 и более киловатт, но все они — составные. Их оптический резонатор накачивается маломощными диодами, количество которых может достигать нескольких сотен.

В гравёрах составные лазеры не используются, так как их мощность слишком велика.

Создание лазерного гравера

Для простых работ, вроде выжигания узоров на дереве, не нужны сложные и дорогие устройства. Достаточно будет самодельного лазерного гравёра, работающего от аккумулятора.

Прежде чем делать гравёр, необходимо приготовить для его сборки следующие детали:

1. Лазерный диод из DVD-RW привода.
2. Фокусирующая линза.
3. Алюминиевый П-образный профиль или трубка из цветного металла со внутренним диаметром 15-20 мм.
4. Электролитический конденсатор 50 В, 2200 мкФ.
5. Резистор 5 Ом.
6. Плёночный конденсатор 100 нФ.
7. Тактовая кнопка.
8. Выключатель.
9. Теплопроводящий клей.
10. Аккумулятор типа 18650 и холдер для него.
11. Коробка из-под губки для обуви.
12. Скотч, в том числе и двухсторонний.
13. Клеевой термопистолет с расходниками.
14. Контроллер заряда.
15. Гнездо Jack 2,1 Х 5,5 мм.

Вытащите из DVD-привода пишущую головку.

Аккуратно извлеките фокусирующую линзу и разбирайте корпус головки до тех пор, пока не увидите 2 лазера, спрятанных в теплораспределяющие кожухи.

Один из них — инфракрасный, для считывания информации с диска. Второй, красный, — пишущий. Для того чтобы их отличить, подайте на их выводы напряжение в 3 вольта.

Распиновка выводов:

Перед проверкой обязательно наденьте тёмные очки. Ни в коем случае не проверяйте лазер, глядя на окошко диода. Смотреть нужно только на отражение луча.

Необходимо выбрать лазер, который засветился. Оставшийся можно выбросить, если не знаете, куда его применить. Для защиты от статики спаяйте все выводы диода вместе и отложите его в сторонку. Отпилите от профиля 15 см отрезок. Просверлите в нём отверстие под тактовую кнопку. Проделайте в коробке вырезы под профиль, гнездо для зарядки и выключатель.

Принципиальная схема лазерного гравёра из DVD своими руками выглядит следующим образом:

Залудите контактные площадки на плате контроля заряда и холдере:

С помощью проводов к контактам В+ и В- контроллера заряда припаяйте отсек для аккумулятора. Контакты + и — идут на гнездо, оставшиеся 2 — на лазерный диод. Сначала навесным монтажом спаяйте схему питания лазера и хорошо заизолируйте её скотчем.

Проследите, чтобы выводы радиодеталей не замыкались между собой. Припаяйте к питающей схеме лазерный диод и кнопку. Поместите собранное устройство в профиль и приклейте лазер теплопроводящим клеем. Остальные детали закрепите на двухсторонний скотч. Установите на своё место тактовую кнопку.

Вставьте профиль в коробку, выведите провода и закрепите его термоклеем. Припаяйте выключатель и установите его. Ту же процедуру проделайте с гнездом для зарядки. Термопистолетом приклейте на свои места аккумуляторный отсек и контроллер заряда. Вставьте в холдер батарею и закройте коробку крышкой.

Перед началом использования нужно настроить лазер. Для этого в 10 сантиметрах от него поставьте лист бумаги, который будет мишенью для лазерного луча. Разместите фокусирующую линзу перед диодом. Отдаляя и приближая её, добейтесь прожига мишени. Приклейте линзу к профилю в месте, где был достигнут наибольший эффект.

Собранный гравёр отлично подойдёт для мелких работ и развлекательных целей вроде поджигания спичек и прожига воздушных шариков.

Помните, что гравёр — это не игрушка, детям давать его нельзя. Лазерный луч при попадании в глаза вызывает необратимые последствия, поэтому храните устройство в недоступном для детей месте.

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 универсальный
Крепление.
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

Изготовление прибора с ЧПУ

При больших объёмах работ обычный гравёр не справится с нагрузкой. Если вы собираетесь использовать его часто и много, вам понадобится устройство с числовым программным управлением.

Сборка внутренней части

Даже в домашних условиях можно сделать лазерный гравёр. Для этого из принтера нужно извлечь шаговые двигатели и направляющие. Они будут приводить в движение лазер.

Полный список необходимых деталей выглядит следующим образом:

• Лазерный диод из пишущего привода.
• Радиатор для диода.
• 3 шаговых двигателя.
• 6 направляющих круглого сечения.
• Крепления для направляющих.
• 3 двойных или 6 одинарных кареток скольжения.
• Блок питания 5 В, 4 А.
• Arduino UNO.
• 2 драйвера шаговых двигателей.
• 2 выключателя.
• Лист металла 50 х 50 см и толщиной 2 мм (для основания).
• Большой лист фанеры.
• Уголки для скрепления фанеры.
• Саморезы.
• 2 мебельных петли.
• Провода сечением 0,5 мм².
• Подвижный кабель-канал.
• Пластиковые стяжки для проводов.
• Транзистор IRFZ44.
• 2 прижимных ролика.
• 5 шестерней.
• Металлический стержень (ось для шестерней и роликов).
• 4 подшипника.
• Зубчатый ремень.
• Понижающий DC-DC преобразователь на 2 А.
• Четыре концевых выключателей.
• Тактовая кнопка.
• Гнездо Jack 2,1 х 5,5 мм.
• 4 резиновые или силиконовые ножки.
• Теплопроводящий клей.
• Эпоксидная смола с отвердителем.

Схема подключения всех компонентов:

Вид сверху:

Расшифровка обозначений:

1. Полупроводниковый лазер с радиатором.
2. Каретка.
3. Направляющие оси X.
4. Прижимные ролики.
5. Шаговый двигатель.
6. Ведущая шестерня.
7. Зубчатый ремень.
8. Крепления направляющих.
9. Шестерни.
10. Шаговые электродвигатели.
11. Основание из листа металла.
12. Направляющие оси Y.
13. Каретки оси X.
14. Зубчатые ремни.
15. Опоры креплений.
16. Концевые выключатели.

Измерьте длину направляющих и разделите их на две группы. В первой окажутся 4 коротких, во второй — 2 длинных. Направляющие из одной группы должны быть одинаковой длины.

Добавьте к длине каждой группы направляющих по 10 сантиметров и вырежьте по полученным размерам основание. Из обрезков согните П-образные опоры для креплений и приварите их к основанию. Разметьте и просверлите в них отверстия для болтов.

Просверлите в радиаторе отверстие и вклейте туда лазер, используя теплопроводящий клей. К нему припаяйте провода и транзистор. Болтами прикрутите радиатор к каретке.

Установите на две опоры крепления для направляющих и зафиксируйте их болтами. Вставьте в крепления направляющие оси Y, на их свободные концы наденьте каретки оси X. В них вденьте оставшиеся направляющие с установленной на них лазерной головкой. Наденьте на направляющие оси Y крепления и прикрутите их к опорам.

Просверлите отверстия в местах крепления электромоторов и шестерёночных осей. Установите на свои места шаговые двигатели и на их валы наденьте ведущие шестерни. Вставьте в отверстия заранее нарезанные из металлического стержня оси и закрепите их эпоксидным клеем. После его застывания наденьте на оси шестерни и прижимные ролики со вставленными в них подшипниками.

Установите зубчатые ремни так, как это показано на схеме. Перед закреплением натяните их. Проверьте подвижность оси Х и лазерной головки. Они должны перемещаться с небольшим усилием, вращая через ремни все ролики и шестерни.

Подключите к лазеру, двигателям и концевикам провода и стяните их стяжками. Получившиеся пучки уложите в подвижные кабель-каналы и закрепите их на каретках.

Концы проводов выведите наружу.

Как сделать лазерный гравер из старых принтеров своими руками

Приветствую всех читателей моей инструкции, а также посетителей сайта. Сегодня я расскажу, как сделать лазерный гравировальный станок из мусора. Под мусором я подразумеваю старые принтеры. Такие принтеры, на которые уже и картриджей не найти. Также подойдут и копировальная техника, и МФУ. Главное требование, наличие шаговых двигателей и полированных валов внутри. Чуть позже я подробнее расскажу какая именно техника нам подойдет.

Основу мы тоже будем делать из подручных материалов. А именно, фанера, OSB- панели, строительный крепеж. Управлять всем будет Arduino. Arduino это самая доступная и простая для программирования электроника, которую можно использовать для ЧПУ-станка.

Поэтому выбор пал именно на эту платформу. Можно будет использовать связку Arduino Uno и CNC Shield v3 или Arduino Nano и CNC Shield v4. Хватит болтовни, перейдем к списку необходимого

: — Arduino Uno или Arduino Nano — CNC Shield v3 (под Arduino Uno) или CNC Shield v4 (под Arduino Nano) — A4988 драйвера шаговых двигателей, 2 шт. (лучше с радиаторами охлаждения) — Если лазер на 5В, стабилизатор напряжения на 5В 7805 — TIP 120 или TIP 122 — Блок питания на 12В — Фанера 3 мм — Фанера 6 или 10 мм (или OSB — панель) — Древние принтеры — Лазер, лучше сразу вместе с драйвером — Подшипники качения с внутренним диаметром 5 мм. — Гайка соединительная M5-10 — Радиатор охлаждения — Шпилька строительная 5 мм — Сверла по дереву 5, 6, 7, 8, 16 мм — Электролобзик — Паяльник, припой, канифоль, флюс и прочее для пайки — Провода
Выбор и подготовка лазера
Главной частью нашего станка будет, конечно, лазер. И тут все просто. Чем мощнее лазер – тем большее количество разных материалов вы сможете гравировать. Я свой лазер сделал из корпуса для лазера, заказанного с AliExpress, и красного светодиода от пишущего DVD- привода. Если пойдете моим путем – вот советы по выбору привода. Привод должен быть пишущим DVD-RW. Чем выше скорость записи – тем мощнее будет лазер внутри. Изготовления лазера таким способом – процесс долгий и мучительный.

В упрощенном виде схема будет выглядеть так

Мощности такого лазера на многое не хватит. Лучше всего заказать уже готовый. И лучше выбирать лазер на 12В. И брать сразу с драйвером. Так вы лишите себя большого количества проблем. Двигатели и электроника будет работать от 12В. Если и лазер будет на 12В, да и еще и с драйвером, подключить его к станку будет просто. Питание можно будет подавать напрямую от блока питания. А управляющий провод (TTL) напрямую к Arduino CNC Shield.

Если у вас, как и у меня, лазер на 5В, да и еще без драйвера — пойдем сложным путем. Лазер будет питать от 5В, включать его через транзистор. Начнем расчеты. Стабилизатор питания на 5В 7805 максимально выдерживает 1,5 А. Если лазер мощнее надо будет использовать два таких стабилизатора, включенных параллельно. Так мы увеличим максимальный допустимый ток до 3А. Берем радиатор:

Чтобы прикрутить к нему стабилизатор и при этом ничего не закоротить, нам понадобится изоляторы:

А также пластиковые шайбы для прикручивания стабилизаторов:

Схема включения стабилизатора:

Крепим стабилизатор напряжения 7805 к радиатору. Не забываем про изолятор и пластиковую шайбу:

Если у вас лазер не мощный и 1,5 А достаточно для него, одного стабилизатора будет достаточно. В таком случае на тот же радиатор крепим транзистор TIP 120 или TIP 122:

Если же у вас лазер мощнее, следует включить в схему второй стабилизатор напряжения 7805, включенный параллельно первому. В таком случае нагрузка будет распределяться равномерно на два стабилизатора и максимальный ток будет достигать 3А. Транзистор TIP 122 позволяет управлять нагрузкой до 5А, поэтому его достаточно одного. Крепим все на радиатор:

Чтобы меньше проблем и работы, я рекомендую заказать уже готовый лазер с корпусом и драйвером. Получиться дороже, конечно, но и станок получиться лучше. Лазером из DVD максимально получается гравировать пластик. Фанеру от тоже может выжигать, но только при очень малой скорости, да и местами получаются пробелы. Качество гравировки страдает.

Что бы избежать проблем с пайкой самодельных схем и не разочароваться в лазерном гравере — берите лазер на 5-40 Вт. Даже 5 Ваттный лазер отлично режет фанеру!