Переделать 3D-принтер в лазерный резак проще, чем вы думаете! Ознакомьтесь с этой краткой инструкцией, чтобы узнать больше.
Если вы хотите создавать не только детали, напечатанные на 3D-принтере, но и расширить спектр материалов, с которыми вы работаете, лазерная резка и гравировка — отличный выбор. Это позволяет работать с другими материалами, помимо пластика, и не требует большого опыта.
Самое лучшее, что вы можете без особых хлопот переоборудовать 3D-принтер в лазерный резак/гравер. Кинематика 3D-принтеров значительно превосходит требования к лазерной резке, а лазерный диодный модуль может быть таким же маленькими, как и хотенд.
Однако перед тем, как превратить ваш 3D-принтер в лазерный резак/гравер, необходимо знать несколько важных вещей. В этой статье мы поговорим о лазерных технологиях в целом, рассмотрим необходимые меры безопасности, а затем обсудим основные шаги по преобразованию вашего 3D-принтера.
Лазеры 101
Лазерная резка — это процесс, при котором лазерный луч выборочно удаляет материал по заранее определенной траектории, испаряя его. Лазерная гравировка, с другой стороны, не прорезает материал, а частично удаляет его, оставляя видимый след. Это отличается от лазерной маркировки, которая изменяет цвет или структуру материала без его удаления, часто посредством химических реакций.
Для настольного производства в основном используются две лазерные технологии: CO2-лазеры и диодные лазеры. CO2-лазеры достаточно мощны, чтобы прорезать широкий спектр материалов, включая акрил, дерево и даже некоторые металлы. Диодные лазеры, напротив, значительно менее мощные; они обычно подходят для гравировки и резки тонких листов бальзы, фанеры и некоторых пластиков.
Основное различие между лазерным резаком и гравером заключается в мощности лазера, толщине материала и типе материала, который можно обрабатывать. Мощные CO2-лазеры предназначены для тяжелых режущих работ и поэтому хорошо подходят для более толстых материалов. Диодные лазеры, как правило, имеют меньшую мощность и в основном используются для гравировки и легкой резки, поэтому при работе с диодным лазером лучше использовать более тонкие материалы.
Для преобразования принтера в лазерный гравер мы сосредоточимся на диодных лазерах, поскольку они легкие, доступные по цене и идеально подходят для нашего сценария использования.
Требования безопасности
Лазерные станки абсолютно безопасны для домашнего использования, если они правильно обслуживаются, эксплуатируются и соответствуют всем требованиям безопасности. Если вы планируете переделать свой 3D-принтер в лазерный гравер, вы должны ознакомиться с опасностями, связанными с таким оборудованием.
Общие меры безопасности включают в себя недопущение детей и домашних животных к машине во время работы и обеспечение своевременного технического обслуживания. Также настоятельно рекомендуется использовать подходящую рабочую поверхность для лазерного станка (см. раздел «Начало работы»).
Однако основные проблемы безопасности связаны с опасностью возгорания, выделением токсичных газов и паров в процессе гравировки, а также с воздействием самого лазерного луча. Ниже приведены некоторые советы о том, как минимизировать эти риски для безопасности.
Предотвращение пожара
Чтобы избежать опасности возгорания, никогда не оставляйте систему без присмотра во время гравировки и всегда держите внутреннюю часть станка и прилегающие области свободными от мусора и легковоспламеняющихся материалов. Также рекомендуется иметь под рукой огнетушитель.
Вентиляция
Лазерные машины можно эксплуатировать в помещении, если оно хорошо вентилируется и имеет надлежащую вытяжную систему. Для предотвращения воздействия этих паров необходимо использовать корпус, а также обеспечить безопасную работу с гравируемыми материалами.
Что касается корпусов, то имеющиеся в продаже корпуса для 3D-принтеров, например, в форме палатки с отражающей внутренней облицовкой, могут обеспечить определенную степень защиты, но они не предназначены для эффективного удаления лазерных паров и рассеивания тепла. Кроме того, отражающая поверхность внутренней облицовки также может быть опасной. Лучшим вариантом является жесткий огнестойкий корпус со встроенной вытяжной системой, которая обеспечивает контролируемый воздушный поток и предотвращает скопление опасных паров в рабочем пространстве.
Для дальнейшего повышения безопасности настоятельно рекомендуется добавить систему фильтрации воздуха. Встроенные вытяжки или самодельные установки с угольными и HEPA-фильтрами могут помочь удалить токсичные частицы перед выпуском воздуха на улицу. Некоторые коммерчески доступные вытяжки, предназначенные для лазерных резаков, также могут быть адаптированы для небольших диодных лазеров.
Защита глаз
И последнее, но не менее важное: лазеры класса 4 могут вызвать серьезные травмы глаз, поэтому всегда необходимо использовать надлежащие защитные очки. Лазерные лучи, генерируемые диодными модулями, являются наиболее опасными и требуют специальных очков для определенных длин волн. Уточните у производителя, какие именно очки требуются, и приобретите пару высококачественных очков.
Кнопка аварийной остановки
Для дополнительной безопасности рекомендуется установить аварийный выключатель (блокировочный выключатель). Для его установки обычно требуются базовые знания в области электротехники, так как он подключается к физическому выключателю, который автоматически отключает питание лазера при открытии корпуса. Это подробное руководство от Awesome Tech поможет пользователям установить аварийный выключатель и может быть адаптирован к конкретной схеме подключения.
Инструкция
Процесс модификации 3D-принтера в лазерный станок может отличаться, но в целом включает в себя одинаковые этапы.
Сначала необходимо выбрать лазерный модуль, который наилучшим образом соответствует вашим требованиям, например, по функциональности и цене. Затем нужно решить, как адаптировать его к электронике и аппаратному интерфейсу принтера.
Начало работы
Перед настройкой лазерного резака или гравера необходимо понимать, из каких основных компонентов они состоят. Хотя каждая настройка может варьироваться в зависимости от типа лазера и области применения, следующие компоненты являются основными:
- Лазерный модуль — основной компонент, отвечающий за резку или гравировку. Модули диодных лазеров обычно имеют мощность от 1 до 10 Вт и поставляются с разными длинами волн, подходящими для конкретных материалов.
- Электронные драйверы управляют мощностью и модуляцией лазерного модуля. Они могут быть интегрированы в существующую плату управления 3D-принтера для модулей низкой мощности или требовать внешнего лазерного драйвера, если вы используете модуль более высокой мощности (мы более подробно рассмотрим это позже в статье).
- Рабочая поверхность — это прочная огнестойкая основа для поддержки материалов во время резки или гравировки. Сотовые столы или алюминиевые пластины помогают рассеивать тепло и предотвращают повреждение поверхностей, расположенных ниже.
- Системы охлаждения и воздушной поддержки повышают эффективность резки и уменьшают пригорание материала. Они являются опциональными, и вы даже можете использовать для этой цели существующую систему охлаждения деталей вашего принтера. Поскольку это опциональный шаг, мы не будем его рассматривать в этой статье.
- Корпус и вентиляция являются необходимыми и настоятельно рекомендуемыми для обеспечения безопасности. Корпус помогает удерживать дым, а вытяжная система или дымоудаляющее устройство обеспечивают надлежащую вентиляцию.
- Надлежащий блок питания (PSU) обеспечивает стабильную подачу питания как к лазерному модулю, так и к электронным компонентам драйвера. Некоторые модули требуют специальных источников питания, выходящих за рамки возможностей типичного блока питания 3D-принтера, и в этом случае вам придется использовать отдельный блок питания вместе со стандартным.
Теперь, когда мы знаем, что нам нужно для преобразования, давайте рассмотрим это подробнее!
Лазерный модуль
Мощные твердотельные лазеры появились относительно недавно, но рынок быстро догнал спрос на диодные лазерные модули. Они используют твердые материалы, такие как кристаллы или специальное стекло, для создания лазерного света, что делает их компактными и надежными. По сравнению с другими видами лазеров, такими как CO2, они требуют очень мало обслуживания, что делает их идеальными для лазерной резки и гравировки в хобби.
Мощность лазера всегда колеблется от 1 до 10 Вт. Некоторые лазеры под белой маркой — универсальные, часто переименованные модули с завышенными характеристиками — которые вы можете увидеть в Интернете, указаны как 30 или даже 40 ватт, но это определенно не их фактическая оптическая выходная мощность.
Мощность определяет, какие материалы можно резать или гравировать и какой толщины. Производители лазеров обычно предоставляют список материалов, которые можно резать и гравировать, поэтому обязательно проверьте его.
Регулируемое фокусное расстояние, которое иногда рекламируется как особенность, на самом деле не имеет большого значения, поскольку ось Z 3D-принтера может поднимать или опускать модуль, чтобы он соответствовал фиксированному расстоянию.
Воздушная поддержка — интересная функция, поскольку она направляет воздух непосредственно на поверхность, чтобы удалить частицы, мешающие работе лазера, что обеспечивает гораздо более чистые разрезы. Некоторые лазеры имеют эту функцию встроенной. Как мы уже упоминали ранее, для этого вы можете использовать существующую систему охлаждения деталей на печатающей головке вашего принтера.
Рабочая поверхность
Надлежащая рабочая поверхность имеет жизненно важное значение, поскольку она обеспечивает стабильность, предотвращает нежелательные отражения (что чрезвычайно опасно) и защищает нижнюю часть принтера от повреждений. Кроме того, поскольку лазеры могут прорезать или опалить материалы, под заготовкой также необходим дополнительный защитный слой. К распространенным вариантам рабочей поверхности относятся следующие:
- Сотовые рабочие столы: как правило, изготовленные из алюминия, они обеспечивают отличную циркуляцию воздуха и снижают накопление тепла, одновременно поддерживая материал. Они широко используются в установках для лазерной резки. Кроме того, сотовый узор рассеивает и поглощает лазерный свет, что предотвращает случайное концентрированное отражение и делает лазерную резку еще более безопасной.
- Негорючие плиты: огнестойкие плиты, такие как керамические волокнистые плиты или МДФ высокой плотности, могут служить одноразовой поверхностью для гравировки или легкой резки.
Если используемая рабочая поверхность является отражающей (особенно если она металлическая), ее следует покрасить в матовый черный цвет, чтобы она не отражала лазер.
Кроме того, если ваш 3D-принтер использует индуктивный датчик выравнивания стола, при переоборудовании в лазерный резак его может потребоваться заменить или модифицировать. Индуктивные датчики работают на основе обнаружения металла, что означает, что они не обнаруживают неметаллические заготовки, такие как дерево или акрил. Это может привести к тому, что лазерный модуль врежется в материал. BLTouch или другой физический датчик на основе штифтов является более универсальной альтернативой, поскольку не требует, чтобы рабочая поверхность была металлической.
Совместимость и подключение
Большинство лазерных модулей можно управлять через порт вентилятора охлаждения деталей, поскольку он обеспечивает управление широтно-импульсной модуляцией (PWM), что позволяет нам также контролировать мощность лазерного модуля. Это хорошо работает для лазеров малой мощности (менее или равной 5 Вт). Лазеры высокой мощности (более 5 Вт) могут превышать предельное значение тока платы контроллера принтера и требуют внешнего драйвера MOSFET.
Требования к питанию
Проверьте напряжение и потребляемый ток лазера, чтобы определить, может ли ваша плата контроллера с этим справиться. Также имейте в виду, что номинальное напряжение лазерного модуля должно совпадать с номинальным напряжением 3D-принтера, которое в большинстве современных принтеров составляет 24V.
Чтобы убедиться в этом, вы можете проверить этикетку на блоке питания, чтобы узнать, 12V или 24V. 24V лазерный модуль будет работать плохо или вообще не работать на 12V принтере, а 12V лазерный модуль сгорит, если его подключить к 24V источнику питания.
Варианты подключения
Прямое подключение (лазеры мощностью не более 5 Вт)
- Подключите питание (VCC/GND) к блоку питания принтера.
- Подключите провод управления PWM к контакту PWM порта вентилятора.
Настройка внешнего MOSFET (для лазеров мощностью более 5 Вт)
- Подключите питание (VCC/GND) к внешнему источнику питания 12V или 24V в зависимости от вашего принтера.
- Используйте драйвер MOSFET (например, на базе IRF520) или твердотельное реле (SSR) для переключения питания.
- Подключите управление PWM от порта вентилятора к сигнальному входу MOSFET.
Что касается определения мощности вашего лазерного модуля, она должна быть указана в руководстве, где, возможно, также будет приведена схема подключения. Но если в руководстве не указана мощность, а только напряжение и сила тока, вы можете рассчитать ее по следующей формуле:
P = V x I, где P — мощность в ваттах, V — напряжение, а I — ток в амперах.
Например, лазерный модуль, потребляющий 0,125 ампера при напряжении 24 вольта, имеет мощность 24 x 0,125 = 3 ватта.
Установка
Установка и монтаж лазерного модуля — это, пожалуй, единственное серьезное изменение оборудования во всем процессе преобразования. Хотя многие лазеры поставляются с индивидуальными кронштейнами, всегда потребуется какая-то адаптация.
К счастью, у вас уже есть 3D-принтер, поэтому возможно практически все. Вы можете найти конструкции креплений в популярных репозиториях моделей, которые подходят для вашего модуля и 3D-принтера.
Если нет, возможно, пришло время попробовать какое-нибудь программное обеспечение для 3D-моделирования, такое как Tinkercad. Модель не должна быть сложной, достаточно интерфейса между отверстиями и винтами, которые будут удерживать хотенд. Если вы не хотите навсегда превращать свой 3D-принтер в лазерный гравер, вы также можете попробовать создать крепление, которое зафиксирует лазерный модуль на печатающей головке, не требуя снятия экструдера и хотенда, как показано на картинке.
После того, как вы прикрепили лазерный модуль к 3D-принтеру, все готово! Однако вам может понадобиться новая прошивка, чтобы начать резку и гравировку. Например, лазерный модуль Creality поставляется с прошивкой, скомпилированной для Ender 3 S1, которую можно найти на сайте Creality.
Но если у вас другой принтер, вам, возможно, придется скомпилировать собственную прошивку. Обязательно заранее проверьте совместимость с вашим принтером.
Подготовка файлов для лазерной гравировки
Поскольку традиционные слайсеры для 3D-печати не могут генерировать G-код для лазерной резки или гравировки, для преобразования векторной графики в совместимый G-код требуется специальное программное обеспечение. Рабочий процесс обычно включает в себя проектирование или импорт векторного файла, настройку параметров резки или гравировки и генерацию необходимой траектории инструмента в виде файла G-кода, который затем необходимо модифицировать для адаптации к вашему 3D-принтеру, прежде чем вы сможете запустить его.
Варианты программного обеспечения
Для подготовки G-кода для лазерной гравировки и резки можно использовать несколько программ:
- LightBurn — популярная платная программа, предлагающая расширенные функции, библиотеки материалов и прямое управление оборудованием.
- LaserGRBL — это бесплатное программное обеспечение на базе Windows для гравировки с простой генерацией G-кода.
- Inkscape — это программное обеспечение с открытым исходным кодом для векторного дизайна, которое с помощью плагинов, таких как J-Tech Photonics Laser Tool, может экспортировать G-код для лазеров.
- LaserWeb — это браузерное решение для генерации G-кода для лазерной резки и гравировки. Оно полезно для настраиваемых конфигураций.
Принцип работы
- Создайте и/или импортируйте векторный файл. Большинство программ поддерживает файлы SVG, DXF или AI.
- Определите траектории резки и гравировки. При резке лазер следует по траектории на полной мощности, чтобы прорезать материал. При гравировке лазер снижает мощность, чтобы выгравировать рисунок на материале, не прорезая его.
- Установите параметры мощности и скорости. Эти настройки зависят от типа и толщины материала.
- Сгенерируйте и экспортируйте G-код. После настройки программное обеспечение выдает G-код, который можно отправить на принтер.
- Измените G-код, чтобы он работал с вашим 3D-принтером. Точный формат G-кода зависит от прошивки принтера (например, Marlin, Klipper) и настроек вашего оборудования, поэтому вам нужно будет самостоятельно провести некоторые исследования и пройти через процесс проб и ошибок. Для получения более подробной информации ознакомьтесь с разделом G-код в этом руководстве.
Хотя этот процесс немного сложнее, чем в случае с автономным настольным лазерным гравером, он не составит труда, как только вы поймете, что нужно делать для вашей конфигурации. Тем не менее, никогда не будьте слишком уверены в своей работе и всегда просматривайте G-код в программе просмотра G-кода (например, встроенной в PrusaSlicer), чтобы проверить траектории перед запуском задания!
Дальнейшие шаги
Лазерный резак/гравер — одно из самых интересных устройств, которое можно иметь дома, поскольку оно позволяет изготавливать предметы из более широкого спектра материалов, чем выдавленный пластиковый филамент.
Если вы заинтересованы в этом, существует ряд продуктов, доступных от производителей принтеров и сторонних компаний. Например, Creality предлагает специальные лазерные комплекты для добавления лазерных модулей к некоторым из своих принтеров Ender 3.
Обязательно ознакомьтесь с пошаговыми инструкциями. Пользователь Instructables Gosse Adema задокументировал процесс апгрейда Anet A8 в лазерный резак и гравер, а YouTube-канал Teaching Tech показывает, как это сделать на любом 3D-принтере. Кроме того, пользователи Prusa MK3 могут воспользоваться этим руководством Instructables по лазерной гравировке с помощью Prusa MK3.
Инструкции по преобразованию в целом схожи для разных моделей 3D-принтеров, но перед началом работы всегда сверяйтесь с требованиями к прошивке и оборудованию вашего конкретного принтера.
