Umbau unseres 40W CO₂ Laser Cutters

Der kleine Laser Cutter vom Odenwilusenz verrichtete seine Arbeit so wie er sollte war aber bei den Anwendern vor allem wegen der Bediensoftware sehr unbeliebt.

Auch war er trotz seiner kleinen Grösse nicht sehr mobil, da er an einen externen Wasserkreislauf mit Pumpe und Wassertank angeschlossen werden musste.

Nach intensiveren Recherchen und Diskussionen wurde dann ein komplett Umbau in Angriff genommen.

Der Umbau umfasste:

  • Neue Open Source Steuerung mit Smoothieware und LaserWeb

  • Integrierter geschlossener Wasserkühlkreislauf

  • Laserleistung per G-Code steuerbar

  • LED Beleuchtung des Arbeitsbereiches

  • Not-Halt mit Not Taster

  • Display zur Statusanzeige

  • Geschalteter Ausgang für den Rauchabzug (per G-Code steuerbar)

Neue Frontplatte

Neue Open Source Steuerung mit Smoothieware und LaserWeb

Steuerung mit Smoothieware

Es gibt verschiedene Open Source Projekte für CNC Steuerungen die für unseren Umbau in Frage gekommen wären, wie zum Beispiel Machinekit, Arduino Uno mit GRBL Firmware und Ramps Shield oder Smoothieware. Für den kleinen Laser Cutter war aus unserer Sicht Machinekit zu mächtig und benötigt von allen Lösungen die teuerste Hardware (Dafür können auch komplexe mehr-Achs Maschinen damit gesteuert werden). Die Lösung mit Arduino Uno und Ramps ist bei den 3D Druckern sehr bewährt ist aber nicht mehr ausbaufähig, da der Arduino Uno mittlerweile zu langsam wird.

Die Wahl viel auf ein Board mit Smoothieware, weil diese Firmware verschiedene Funktionen extra für Laser Cutter bietet und es einen schnelleren Mikrocontroller nutzt als der Arduino Uno. Smoothieware wird auch für 3D Drucker und SMD Pick'n Place Maschinen eingesetzt.

Von den Smoothieware Entwicklern selber  gibt es  als Steuerung das Smoothieboard, aber es gibt auch eine Reihe von günstigen kompatiblen Steuerprints mit den selben Features:

  • 32-bit Cortex-M3 LPC1769 mit 512kB Flash and 64kB RAM
  • 3 bis 5 A5984 Schrittmotor Treiber mit  1/32 Microstepping
  • Anschlüsse für Thermoelemente und Heizungen
  • Ethernet und USB Anschluss
  • SD Card  um die Konfiguration  und G-Code Dateien zu speichern

Hinweis: Die Hersteller der günstigen Nachbauten sind leider reine Trittbrettfahrer und unterstützten das Smoothieware Team nicht. Wenn ihr einen Smoothieboard Nachbau einsetzt, bitte denkt auch an die original Entwickler und spendet etwas vom eingesparten Geld.

LaserWeb zur Datenvorbereitung

Für die Datenaufbereitung und Job Steuerung (CAM Software) von einem angeschlossenen Laptop dient LaserWeb. Diese Open Source Software läuft unter Linux/Windows/Mac und kann SVG, DXF, PNG, JPG Dateien importieren und für den Laser Cutter vorbereiten. Laserleistung und andere materialabhängige Parameter können in einer Materialdatenbank gepflegt und mit anderen Benutzern ausgetauscht werden.  Es kann nicht nur geschnitten werden sondern Bilder und Text auch gerastert werden (Beschriftungen, Stempel etc.)

Hinweise zum Nachbau

Danke an Johann Langhofer für seine ausführliche Dokumentation seines Umbaus. Dank solcher Anleitungen ging unser Umbau viel schneller vonstatten und wir konnten diverse Entscheidungsprozesse abkürzen.

Da festgestellt wurde, dass in unserem Laser Cutter verzinnte Litzen verschraubt wurden,  musste  die komplette Verkabelung ausgewechselt werden durch korrekte mit Aderendhülsen. Verzinnte Litzen zu verschrauben ist aus guten Gründen in Europa verboten!

Wir verwenden als Steuerung ein MKS SBASE und als Display einRepRap LCD mini 12864 Smart Display. Das Display funktioniert nicht einfach so an einem SBASE, da auf den Steckern zwei Pins nicht belegt sind. Wenn man auf den 5. Schrittmotortreiber verzichten kann, lässt sich das SBASE aber anpassen (passendes Foto in der Bildergalerie). Auf dem SBASE müssen dazu die vier kleinen Schiebeschalter auf ON gestellt werden.

Damit die Laserleistung per G-Code gesteuert werden kann, muss das Lasernetzteil an die Steuerung angeschlossen werden. Dazu wird einer der Schaltausgänge (MOSFET, Open-Drain) an den Freigabeeingang (Enable) des Lasernetzteils angeschlossen. Durch Versuche von anderen Leuten konnte gezeigt werden, dass sich die Laserleistung über diesen Eingang super per PWM Signalsteuern lässt. Ausführliche Informationen gibt es dazu bei Don's Webseite zu K40 Lasernetzteilen. Da somit das Potentiometer nur noch für die Begrenzung der Maximalleistung zuständig ist, wurde es auch von der Frontplatte entfernt und kurzerhand in das Gehäuse des Lasernetzteils eingebaut. Über die Alterung des Laserrohrs oder beim Austausch dessen kann es vorkommen, dass am Potentiometer die Maximalleistung neu Eingestellt werden muss.

Die Konfigurationsdatei des fertig umgebauten Laser Cutters ist in den Downloads ganz unten zu finden.

Integrierter geschlossener Wasserkühlkreislauf

Das CO2 Laserrohr muss mit Wasser gekühlt werden. Neu übernimmt das ein eingebauter geschlossener Kühlkreislauf. Er besteht aus Teilen die sonst für wassergekühlte Gamer-PCs eingesetzt werden, die günstig und einfach zu beschaffen sind. Verwendet wird eine  Pumpe mit Ausgleichsbehälter, ein Rückkühler für einen einzelnen 120 mm Lüfter, ein PWM gesteuerter 120 mm Lüfter und ein Temperaturregler für Lüfter mit PWM Steuerung.

Der Temperaturregler steuert die Drehzahl des angeschlossenen Lüfters und überwacht die Temperaturen und auch die Drehzahlen vom Lüfter und der Pumpe. Bei Problemen wird der Nutzer durch ein lautes Piepen gewarnt.

Bei 40 W optischer Leistung sind maximal 350 W  an Abwärme zu erwarten. Der eingesetzte Rückkühler mit einem einzelnen 120 mm Lüfter ist zu klein um diese Leistung dauerhaft ab zu führen. Da dieser Laser Cutter aber sowieso kaum für Serienproduktionen eingesetzt wird, ist das kein Problem. Während den Tests wurde auch schon mal mit voller Leistung 20 min am Stück ein Bild gerastert, was die Wassertemperatur um 18 °C erhöht hat. Im Hochsommer wenn das Wasser im Kreislauf schon über 30 °C hat ist das definitiv zu viel, aber den Rest vom Jahr oder in kühleren Kellerräumen reicht der kleine Rückkühler problemlos.

Der kleine Rückkühler kann direkt in die Rückwand anstelle des Gehäuselüfters eingebaut werden, was einen sehr kompakten, aufgeräumten Aufbau ermöglicht.

Das Display und die LEDs des Temperaturreglers müssen leider umgebaut werden, da sonst kein vernünftiger Einbau ein eine Frontplatte möglich ist. Es wurde darauf verzichtet, die Tasten auch an der Frontplatte bedienen zu können. Zum einen weil es einfacher war und zum anderen, da die Tasten sowieso nur zum Einrichten benötigt werden. Das Display wechselt von selber zwischen den zwei gemessenen Temperaturen und zwei Drehzahlen um.

Weitere Änderungen

Durch den Einbau eines Displays und des Temperaturreglers war klar, dass eine neue Frontplatte dazu gehört. Damit das ganze auch stilgerecht ist, durfte der umgebaut Laser Cutter seine eigene Frontplatte gleich selber herstellen! Die Frontplatte passt in den bestehenden Ausschnitt und wurde mit Inkscape gezeichnet. Die Dateien sind unten in den Downloads zu finden.

Die ideale Höhe zur Materialbearbeitung (Fokuspunkt) wird mit Hilfe von zwei roten Laserstrahlen sichtbar gemacht. Dies beschleunigt das Vorbereiten des Werkstücks und die Platzierung innerhalb der CAM Software (LaserWeb) erheblich.

Eine LED Beleuchtung des Arbeitsbereiches wurde eingebaut um bei geschlossenem Deckel besser zu sehen wo der Laserkopf über dem Werkstück steht.

Ein richtiger Not-Halt mit Not Taster  wurde nachgerüstet. Dieser trennt die Stromversorgung zum Lasernetzteil und deaktiviert die Schrittmotoren der XY-Achsen.

Der Rauchabzug kann direkt aus der Steuerung gesteuert werden, entsprechend wird er neu beim Starten eines Jobs ein- und nach Beendigung wieder ausgeschaltet. In der  LaserWeb Software gibt es für diese Zwecke eine Konfigurationsmöglichkeit einen definierbaren G-Code vor und nach dem generierten Code einzufügen. In der Rückwand ist ein Sicherungshalter und eine Kaltgerätebuchse  für den Anschluss des Abzugs eingebaut und ein einfaches Relais wurde auf eine Lochrasterplatine gelötet (Die Kupferbahnen um die 230 V Anschlüsse müssen im Umkreis von 3 mm entfernt werden).

Downloads

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