Kategorie-Archiv: Werkstatt

Projekt CNC-Fräse Mechthild (2 Schaltschrank)

Weiter gehts hier mit der CNC-Fräse.

Nachdem im Teil 1 schon zur Einleitung vorgegriffen wurde, hier also was nach 2017 so passiert ist.
Es ging dann weiter mit dem Schaltschrank.

In diesem (doch etwas sehr knapp bemessenen) Schaltschrank soll die ganze Steuerung verschwinden.
Zunächst ein paar vorbereitende Dinge nachdem ungefähr klar wurde, wie die Lage der Bauteile auf der Montageplatte sein wird. Die Elektronik wird etwas Abwärme erzeugen, also braucht es da etwas Luftdurchsatz. Zwei 120mm Lüfter passen in die Seitenwand, die dafür Ausschnitte bekommt.

Lüfterlöcher

Als Versorgungstechniker nervt es mich total, das man in Schaltschränken in dunklen Kellergängen oft nicht gescheit sehen kann. Deshalb kommt da gleich erstmal eine Schaltschrankbeleuchtung aus LED-Klebeband rein.

Schaltschrankbeleuchtung

Die Schrittmotortreiber werden mit 24V betrieben, die Lüfter brauchen 12 (es gibt 24V Lüfter, sind aber deutlich teurer), daher sorgt eine kleine Elektronik für die Erzeugung von 12V für Lüfter und Beleuchtung, mit dem Aktivierungssignal für die Schrittmotorendstufen wird per Transistor die Lüftung zusammen mit dem Schrittmotoren eingeschaltet. Bei Stillstand der Maschine gehen die Lüfter aus und saugen so hoffentlich weniger Staub ins Gehäuse.
zusatzelektronik

Der 3D-Drucker macht sich auch hier wieder einmal Nützlich, denn die ganzen Halterungen für die kleine Zusatzplatine, für die Parallelport-Karte, für das Netzteil und oben auch für die Klemmleisten ermöglichen einen kompakten Aufbau.
3D gedruckte Halter

Nachdem nun weitgehend alles komplett ist, habe ich dann mal die Motoren auf dem Tisch angeschlossen und einen Motorhalter für den Z-Achsen Motor gedruckt, den Motor montiert und das Zusammenspiel aus Hardware und LinuxCNC-Steuerung eingerichtet. Dabei konnten dann auch erste Fahrversuche mit dem Schrittmotor und der Z-Achse gemacht werden um abzuschätzen welche Fahrgeschwindigkeiten und Beschleunigungen möglich sein werden. Die Maschine wird aufgrund des Aufbaus schon ein paar Zentner wiegen. Den Probeaufbau auf dem Tisch kann man im ersten Bild des ersten Beitrags sehen.

alles im Kasten

Nun ist erstmal alles im Kasten, zum Abschluss des Schaltschranks habe ich noch eine Kabelabfangung für die obere Kabeleinführung entworfen und mit meinem 3D-Drucker gedruckt, und die ersten Leitungen vorbereitet für den späteren Anschluss an der Maschine.

alles im Kasten

Die Klemmen haben eine transparente Isolierabdeckung (die hier im Bild noch nicht aufgesteckt ist), und das Loch bekommt natürlich auch noch einen Deckel mit kleinen Kabelauslässen.

Damit ist die Steuerung soweit komplett vorbereitet.

Projekt CNC-Fräse Mechthild (1)

Ich war in letzter Zeit ja etwas nachlässig hier mit meinen Berichten.

Daher gibts jetzt eine kleine Rückschau zu meinem Langzeitprojekt CNC-Fräse.
Eigentlich auch, weil ich beim sichten der Fotos eins gefunden habe, was heute genau 1 Jahr alt ist.

cnc elektronik test

Los gings natürlich schon viel früher, denn so ein Projekt bindet man sich ja nicht einfach mal so ans Bein.
Das mit dem 3D-Druck hat man ja auch irgendwann mal durchgespielt, und nach einem Intermezzo mit dem K40 Laser, der seitdem ab und an bei Bedarf seine Dienste tut, muss man seine Möglichkeiten ja auch weiterentwickeln.

Manchmal könnte man einfach besser ein Bauteil als Metall gebrauchen. Hitzebeständigkeit, Abriebfestigkeit, da gibts bei den Kunststoffen ja Grenzen. Additive Fertigung bei Metall ist (2019) noch ziemlich kostspielig, käuflich zu erwerbende CNC-Fräsen die mehr als nur Holz verarbeiten können allerdings auch.

Geil wär das aber trotzdem schon, also entstand so langsam ein Plan, und eine Abbildung davon im CAD, wie das denn aussehen könnte. Ich wollte etwas stabiles. Und selberbauen muss auch, und schon auch weil Leute meinen, das man das nicht einfach aus stahlrohren zusammenschweißen kann, schon allein deshalb müsste man das eigentlich so machen.

Am Ende hatte das lange Zeit zum reifen, sowas überstürzt man ja nicht.
Stahl ist zwar schwerer als Aluminium, aber auch Fester. Wenn man da Leichtbau mit Hohlprofilen macht, dann nimmt sich das am Gewicht vs. Stabilität doch gar nicht viel. Irgendwie muss das ja auch groß sein nachher, sonst nervt das, weil man natürlich gleich mit dem nächstbesten Teil 1cm mehr Verfahrweg braucht als die gerade gebaute Maschine fahren kann.

Und dann könnte das nicht viel kosten, also lotet man so langsam aus, welche Bauteile man verwenden könnte, und summiert die Komponenten in einer Tabelle auf, und kommt beim unvollständigen Überschlagen gleich auf einen vierstelligen Betrag.

20er unterstütze Wellen

Mit tagelangem suchen und Preise vergleichen ergoss sich dann Woche für Woche ein Strom aus kleinen und großen, leichten und schweren Paketen mit Bauteilen, Leitungen, Metallteilen und sammelte sich an.

Fräsmotor

Aus November 2017 stammt das Foto mit dem Fräsmotor.

Aus Kostengründen kommt also die übliche „China Frässpindel“ in der 1,5KW ausführung, einfache 4Nm Schrittmotoren, billigste TB6600 Motorendstufen und eine Parallelportkarte, 20mm Rundführungen mit Unterstützungsprofil zum Einsatz, zumindestens habe ich aber bei den Antrieben richtige Kugelgewindespindeln und Festlager/Loslager Lagerböcke besorgt.
Als Steuerung muss ein ausgemustertes Mainboard mit einem etwas altbackenen Intel Atom D510 quadcore Prozessor herhalten, das wurde woanders beim aufrüsten frei. Das schicke kleine Gehäuse hatte ich für ein Projekt angeschafft aber dieses nie umgesetzt. Die Maschinensteuerung soll LinuxCNC übernehmen.

Über den Jahreswechsel hab ich dann schon mal angefangen etwas handfesteres vorzubereiten. Ich habe 10mm Stahlplatten bestellt für die Z-Achse und schon mal ein paar Bohrungen gemacht.

Stahlplatte

Die vielen Löcher und Gewinde machen doch ganz schön die Dreck und Arbeit, und am Ende ist das manuelle Arbeiten nicht immer so Präzise wie man sich das erhofft hatte.

Stahlplatte

Ohne die Späne und mit den Schrauben sieht das doch schon ganz manierlich aus.
Das auf dem Foto ist eine vom zwei Platten, mit den Führungen und Antriebsspindel und Fräsmotor sieht das dann (später, im Sommer 2018 mit dann montiertem Schrittmotor) so aus:
Stahlplatte

Das war es dann erst einmal für den ersten Teil über die Teile für das Fräsenprojekt im Jahr 2017.

Klüpfel/Holzhammer

Weil angeblich die normalen eisernen (Schlosser-)Hammer die Holzhefte von Holzbearbeitungswerkzeugen wie Stechbeiteln schneller verschleißen lassen als hölzere Hammer, will ich einen Holzhammer bauen.

Ein Reststück eines alten Balkens ist bei einer Baustelle übrig geblieben. Zwei Holzkeile aus Buchenholz geben härtere Schlagflächen und werden einfach ein Balkenstück aufgeleimt.

Holzhammer

Fehlt noch ein Handgriff. Hier ist nach einiger Zeit der Gummipömpel hart geworden und der Gummi beim Versuch das Ding nochmal zu benutzen großflächig zerbrochen, so dass der Holzstiel übrig blieb. Somit sind alle benötigten Bauteile komplett 🙂

Holzhammer

Die Schlagflächen sind traditionell mit tierischem Leim/Perlleim/Glutinleim angeleimt, der Stiel ist durch vorsichtiges abhobeln mit dem Handhobel so angepasst, das er ordentlich straff ins Bohrloch passt, und dann eingeklebt und eingeschlagen worden. Eine kleine 2mm Entlastungsbohrung durch den Holzklotz sorgt dafür, das beim Einschlagen des Stiels die Luft und der überschüssige Leim austreten kann, da der ganz leicht konisch zugearbeitete Stiel nach außen hin Luftdicht abschließt.

Holzhammer

Zum Abschluss habe ich einen Platz an der Werkzeugwand geschaffen und einen Wandhalter für den Hammer ausgedruckt.

Lidl Plasmaschneider PPS 40 A1

Zur zeit gibts bei Lidl im Online-shop erstaunlich billig einen Plasmaschneider.
Leider ohne Angabe, welchen Zündmechanismus dieser besitzt.

plasmaschneider

Es gibt: HF-Zündung, HV/Hochspanungszündung und „Kontaktzündung“ (also keine Zündhilfe).

Ich habe so ein Gerät bestellt und das Handbuch konsultiert, und darin steht wie auch im Onlineshop nichts darüber was wirklich Klarheit zu dieser Frage bringen würde.

Daher habe ich das Gerät kurzhand aufgeschraubt und nachgesehen.
Das kleine Gerät ist relativ kompakt aufgebaut.
plasmaschneider

plasmaschneider

plasmaschneider

Da schließlich habe ich es entdeckt:
plasmaschneider

Es ist ein Hochspannungstrafo eingebaut, es gibt also einen Pilotlichtbogen per Hochspannungszündung.
Das Vorhandensein einer Zündeinrichtung ist wichtig wenn man damit einen CNC-Plasmaschneider bauen will, und erleichtert auch die Handbedienung ungemein.

Staubsaugeradapter Bosch Exzenterschleifer PEX 270A

Vor ein paar Jahren habe ich mir den Exzenterschleifer Bosch PEX 270A gekauft. Das ist ein Gerät der „Heimwerkerklasse“, da ich jedoch nicht viel mit Holz mache sollte dieser ausreichen.

Bei dem Gerät ist ein Staubfilter zum Auffangen des Schleifstaubs im Lieferumfang. Der Staub soll dabei durch die Löcher im Schleifpapierblatt abgesaugt werden, und mit dem Luftstrom in den Staubfangbehälter geblasen werden. Das funktioniert so „mittel“.

Den aufgefangenen Holzstaub kann man gut gebrauchen, um Holzkitt selbst herzustellen. Dazu vermischt man den Holzstaub mit einem Bindemittel, z.B. Knochenleim oder Schellack, notfalls mit Holzkaltleim (PVA-Weissleim). Der Kaltleim ist bei manchen Holzsorten kritisch, da die enthaltene Essigsäure das Holz im Holzkitt verfärben kann.

Wenn man statt Holz einmal Farbe schleift, z.B. Acryl-Dispersionsfarbe, dann setzt sich der Farbstaub gemeinerweise auch in den Klettverschluss zwischen Schleifteller und Schleifpapier, und lockert die Verbindung so dass das Schleifpapier sich vom Schleifteller lösen kann. Es hat eine Weile gedauert bis ich erkannte, was die Ursache dieses Problems ist.

Nach „Anschließen“ des Staubsaugerschlauches mit Gewebeklebeband an den Filteranschluss der Maschine funktionierte alles wie es sollte. Man müsste also bei schwierigen Materialien, oder wenn man besonders staubfrei arbeiten möchte, einen Staubsaugerschlauch anstecken können. Außerdem ist der kleine Staubfangbehälter sehr klein und muss deshalb häufig geleert werden.

Dazu braucht es einen Adapter, der leider nicht im Lieferumfang der Maschine ist.

exzenterschleifer-staubsaugeradapter

Bosch bietet einen Anschlussadapter an, mit dem universell Filterbeutel oder Staubsauger angeschlossen werden können. Das Handbuch bildet den Adapter zwar ab, außer einem Hinweis das dieser nicht zum Lieferumfang gehört steht dazu nichts weiter.

Vermutlich handelt es sich um diesen Adapter: https://www.amazon.de/dp/B000R5I6LI

Dieser hat eine sehr kleine Öffnung (25mm Innendurchmesser) so das ein haushaltsüblicher Staubsaugerschlauch nur mit Hilfe eines weiteren Adapters oder eines dünnem 19mm Maschinensaugschlauches angeschlossen werden kann. So wenig Querschnitt ist natürlich auch nicht gerade förderlich für gute Absaugergebnisse.

Daher habe ich mich ans CAD gesetzt und einen Adapter gezeichnet, der direkt von dem flachen Anschluss am Gerät auf gewöhnlichen Staubsaugerschlauch übergeht.

exzenterschleifer-staubsaugeradapter

Wie beim originalen Staubfangbehälter wird der Adapter oben durch eine Klaue am Gerätehandgriff und durch Clips an der Maschine gehalten.

exzenterschleifer-staubsaugeradapter

Dabei habe ich die Clips einzeln erstellt und nachträglich an den Adapter geklebt, wodurch sich das Bauteil einfacher im 3D-Druck-Verfahren herstellen lässt.

exzenterschleifer-staubsaugeradapter

Die angeklebten Clips haben sich nicht als die Ideallösung erwiesen, mit dem Heissluftlötgerät habe ich sie noch etwas straffer hingebogen, jetzt halten sie zwar besser, aber öffnen sich dafür nicht mehr von selbst beim Anstecken des Adapters. Funktion ist aber grundsätzlich gegeben, daher bleibt das jetzt so.

exzenterschleifer-staubsaugeradapter

Wer sich das Ding ausdrucken möchte findet hier die Dateien:
exzenterschleifer-staubsaugeradapter.zip [1M] freecad 0.17 Konstruktion und 3D-Hüllenmodell.

Kleine Werkstatthelfer: Kolophoniumflaschenhalter

Wer als Flussmittel zum Löten flüssiges Kolophonium (aufgelöst mit Alkohol) verwendet, dem ist das Fläschchen vermutlich schon einmal umgekippt, mit all der ganzen klebrigen Sauerei die dabei entsteht.

Bewährt hat es sich, den Schwerpunkt der Flasche tieferzulegen 🙂

Flussmittelflaschenfuß

Erstmal bekommt die kleine Flasche einen breiteren Fuß, so dass sie nicht mehr so leicht umfällt.
Der Trick mit dem tiefen Schwerpunkt befindet sich auf der Unterseite:

Flussmittelflaschenfuß

In den Fuß ist eine große Stahlscheibe eingelassen, diese ist 3-4mm dick. Mit diesem Gewicht steht die Flasche immer solide. Seit über einem Jahr kein Flussmittelunfall mehr 🙂

Bauteile Drehregal

Was schon ewig auf meiner Liste steht: Der Sortimentskästen-Drehturm.

Das liegt zeitlich noch vor dem Beitrag über das Ivar-Regalsystem.

Hier einfach mal eine Bilderstrecke, auch wenn manche etwas farbstichig sind kann man doch das relevante darauf erkennen.

Sortimentskastendrehturm
Es waren von einem alten Kleiderschrank der schon etwas seiner Standfestigkeit eingebüßt hatte einige Spanplatten übrig geblieben. Daraus soll nun neues entstehen. Es beginnt mit dieser Grundplatte (aus zwei zusammengeschraubten Einlegeböden).

Sortimentskastendrehturm

In die Mitte kommt ein kleines „Tischbein“. Damit ist dieses Teil fertig.

Sortimentskastendrehturm

Diese Platte hatte die beiden äußeren Löcher bereits, sie werden zwar nicht gebraucht, stören aber auch nicht. Der Mittelpunkt wird ermittelt und ein Loch ausgesägt welches etwas größer als das Tischbein auf der Grundplatte ist. Vor dem Aussägen wird ein Kreis aufgezeichnet.

Sortimentskastendrehturm

Auf dem Kreis werden Bockrollen aufgeschraubt. Wenn man genau hinsieht, gibts dort noch weitere Linien: Dort werden Platten, die passend aus den alten Seitenwänden und Schranktüren ausgesägt werden, mit der Rückseite der Platte verschraubt.

Sortimentskastendrehturm

Obendrauf kommt noch ein Deckel, aus einem ehemaligen Einlegeboden.

Sortimentskastendrehturm

Jetzt noch die restlichen Rollen anschrauben, die Löcher dafür waren ja bereits im oberen Bild vorhanden.

Sortimentskastendrehturm

An das Loch in der Mitte der Platte wird ordentlich Schmierfett geschmiert. Nun können die beiden Teile zusammengestellt werden.

Sortimentskastendrehturm

Jetzt noch mehr Sortimentskästen anschrauben.

Sortimentskastendrehturm

Damit ist das Lager für Elektronische Bauelemente fertig zum einräumen.

Staubsaugeranschluss Ferm FBF1050E Oberfräse

Ich habe bei ebay eine gebrauchte Oberfräse erworben.

Es handelt sich um die Ferm FBF1050E. Am Fuß der Fräse ist ein kleiner Stutzen für die Absaugung vorhanden, jedoch passt hier nicht ein ganz normaler Staubsaugerschlauch drauf, weil der Stutzen ein kleineres Maß hat.
Außerdem geht es ziemlich eng her mit dem Motorgehäuse.

Ich weiß nicht ob im Original ein Adapter beiliegt da ich die Maschine ohne Zubehör bekommen habe, ich habe das Problem mit einem neu konstruierten Adapterteil gelöst.

Die Abflachung auf einer Seite gibt gerade genug Raum, damit der Fräsmotor auf maximale Tiefe eingestellt werden kann. Beide Enden sind leicht konisch, so dass der Adapter und der Saugschlauch ordentlich fest sitzen.

Das Druckteil passt ganz genau wie vorgesehen.

Bei diesem Teil hatte FreeCad sich etwas komisch, deshalb ist die Konstruktion in zwei Dateien (eine mit dem inneren „Luftkanal“, eine mit der Hülle)
Die Exportierte Hüllenmodell-Datei war leider auch erst nach Reparatur des Mesh zu gebrauchen, ich habe die reparierte Datei ins Zip gelegt, mit Slic3r ging das damit schließlich problemlos.

Staubsaugeranschluss ZIP [1MB]

Neue Zähne für den Kreisschneider

Für ein Projekt wollte ich ein Loch in eine Spanplatte bohren, welches deutlich größer als jegliche vorhandene Lochkreissäge ist. Ich entschied mich, diesem Mangel durch Werkzeugkauf abzuhelfen. Damit man nicht eine riesige Anzahl teurer großer Lochkreissägen hat, und weil das ja mit der Stichsäge irgendwie immer nicht so toll wird, habe ich einen verstellbaren Kreisschneider gekauft. Aufgrund der seltenen Nutzung dieses Werkzeuges und der einfachen Konstruktion dachte ich, da tut es auch ein billiges, viel kann man an sowas doch gar nicht falsch machen.

Ja, also doch, kann man. Mechanisch ist das alles soweit in Ordnung, nur die Klingen. Die waren natürlich dermaßen scharf, das man also fast schon Styropor damit hätte zerfetzen können. Vorsichtig gab es also einen schön langsamen Überschliff am Schleifbock. Dabei bildeten sich trotz großer Vorsicht um nicht zu viel Hitze in die Klingen zu bringen erstaunlich dicke Grate. Das ist nicht gut und passiert bei gehärtetem Stahl eigentlich überhaupt nicht.

Diese hochwertige Stahllegierung würde ich jetzt einmal als „Buttermetall“ beschreiben. Das Bild ist mit dem Mikroskop aufgenommen nach einem einzigen Schnitt durch eine 16mm Spanplatte. Das macht so ja wirklich überhaupt gar keinen Sinn.

Man müsste da ordentliche Zähne drann machen, dann würde das Werkzeug etwas taugen. Eine Recherche nach Messerstahl Halbzeugen ergab, das ein kleines Stück davon teurer als der Kreisschneider selbst wäre. Ganz offensichtlich ergibt sich hier über das Kräftegleichgewicht des Marktes ein besonders vorteilhafter Preis für den Kunden, .. naja, lassen wir das lieber. Ein 5%Kobalt-HSS-Drehling wäre billiger gewesen. Alle verrückt geworden.

Nach ein paar Nächten darüber schlafen kam ich auf die Idee, das man doch von einem alten Werkzeug zwei Zähne wiederverwenden könnte.

Nach etwas umhorchen hatte ein netter Bekannter für mich ein altes Sägeblatt aufgetrieben, bei dem schon einige Zähne abgebrochen waren.

Das Sägeblatt wurde zur Spende von zwei noch intakten Zähnen genötigt und die Transplantation vorbereitet. Zwei aufeinanderfolgende Zähne passen gut, da diese Wechselseitig geschliffen sind. Beim Kreisschneider soll ein Zahn auf der Innenseite und einer auf der Außenseite schneiden, um schöne Schnittkanten zu erzeugen.

Nach heraustrennen der Teilen und einem iterativen Prozeß aus formgebendem Schleifen der Rundung und Anprobe am Patienten habe ich zwei neue passende Zähne mit Hartmetallschneide für mein Werkzeug.

Eine kurze Funktionsprobe ergibt: Mann mann mann was das Ding doch für eine Sauerei macht. Die Späne fliegen ziemlich weit und in alle Richtungen. Man selbst wird auch ordentlich mit Holzspänen „eindekoriert“. Also das wird kein Lieblingswerkzeug, und der rotierende Balken in der Ständerbohrmaschine lässt auch irgendwie Angst vor gebrochenen Fingern aufkommen.

Zum Glück braucht man das nicht so häufig.

„China“-Lasergravierer (5) K40 PilotLaser

Zum Ausrichten vom Material und „Probelasern“ ob er auch das tut was er soll, wäre es toll auf einen sichtbaren Laserstrahl umschalten zu können, der einem nur optisch anzeigt ob alles so passiert wie es soll.

Die gängige Lösung ist ein für den 10600nm Laserstrahl durchlässiger Spiegel, der auf einer Seite eine für sichtbares Licht mittelmäßig gut reflektierende Beschichtung hat. Dieser wird im 45 grad Winkel in den Strahlweg eingebaut und von der Seite mit einer Laserdiode versorgt.

Leider hat diese Methode auch Nachteile. Der Laserstrahl wird etwas abgeschwächt. Man braucht den Platz für die Halterung. Es gibt unerwünschte Brechungseffekte beim Durchlauf des Laserstrahls durch den „Beam Combiner“. Und nicht nur die Beschaffung des komplexen Halter, sondern ebenso des Spezialspiegels verursacht doch erhebliche Kosten.

Deshalb habe ich etwas anderes ausprobiert. Der Laserstrahl hat mehrere Millimeter Durchmesser und wird erst mit der Laserlinse auf die entsprechend hohe Energiedichte konzentriert. Wenn der Strahl sowiso so breit ist, dann kann man ja auch mit einem billigsten Halbleiterlaser wie er in jedem Laserpointer enthalten ist da hinleuchten.

k40 pilotlaser test

Der sichtbare Laser wird mit einem kleinen Modellbau Servomotor mit ausreichender Genauigkeit in den Strahlweg eingeschwenkt, und wieder entfernt.

Es ist eine mehrdimensionale Einstellung nötig. 2D um genau in den Strahlweg zu kommen, und dann nochmal eine Richtungskorrektur. Das habe ich mit 3 Schrauben und 3 Kugelschreiberfedern gelöst.

Die Justierung auf den CO2-Laserstrahl funktioniert so: Die Grundplatte hat zwei Langlöcher, deren Schrauben so fest gedreht werden das die gesamte Einheit mit Kraft noch seitlich verschoben werden kann. Für die Senkrechte kann die Nullstellung des Servos mit dem Poti auf der Elektronik nachjustiert werden.

Um den richtigen Befestigungspunkt zu finden, ist zunächst der CO2 Laser ordentlich einzustellen, und danach mit einem Testschuss auf ein vor der Durchlassöffnung im Gehäuse befestigtes Testobjekt die Lage des Strahls festzustellen. Ausgehend davon kann man dann die Befestigungspunkte für die Servohalterung ermitteln.

Mit einem arduino und einem winzigen Steckbrett war das nötigste auszuprobieren, um zu sehen ob das Konzept tragfähig ist. Ich hatte bedenken bezüglich ausreichender Wiederholgenauigkeit, was aber kein Problem war.

Elektrisch funktioniert das so:
k40 pilotlaser schaltplan

Ein Klappenschalter aktiviert den Servo und die Laserdiode beim öffnen der Klappe am Lasergehäuse. Gleichzeitig wird über den Optokoppler die Freigabe des CO2-Lasers unterbrochen.
Schließt man die klappe fährt der servo die Laserdiode ca. 2cm nach oben, und der CO2-Laser kann arbeiten.
Beim Öffnen der Klappe im laufenden Betrieb wird automatisch der CO2-Laser abgeschaltet. Das erhöht die Sicherheit.
Zu Kontrollfahrten mit optischen Licht lässt man einfach den Laser sein „Programm“ abfahren bei geöffneter Klappe und kann am roten Lichtpunkt verfolgen wo der Laser schneiden oder gravieren würde.

k40 pilotlaser einbau

Mit einem kleinen Gehäuse findet die Elektronik einen Platz in der Nähe des Servos. Der Ort wurde entsprechend der am Servo vorhandenen Leitungslänge gewählt.

k40 pilotlaser panel

Am Bedienpanel findet sich alles nötige: 5V am Poti, und der Stromkreis zur Laserfreigabe am Schalter. Die Leitung wird abgelötet und durch den Optokoppler an der Elektronik geschleift.

k40 pilotlaser klappenschalter

Die Klappe bekommt einen justierbaren Mikroschalter um zu Erfassen ob diese geöffnet oder geschlossen ist.

Die 3D-Files gibts auch dazu: [K40-pilotlaser.zip 0,2MB]

Der Arduino Sketch: [K40laser-pilotlaser_Arduino.zip]

Lüftungsklappe

Ich bin ja am Makerspace Erfurt beteiligt. Da haben wir dickes KG-Abflussrohr als Abluftkanal verwendet. Das ist vom Preis her attraktiv und praktischerweise sind alle Steckverbindungen bereits mit einer Dichtung ausgerüstet. Ebenso sind übergange und Y-Stücke günstiger als aus der Lüftungstechnik. Übergänge die nicht dazu passen können wir selbst nach Bedarf mit dem 3D-Drucker herstellen.

Wenn man nun aber direkt am Abluftventilator eine Abluftöffnung aufmacht, geht die Luft den Weg des geringsten Widerstands und nimmt lieber die kurze Strecke als die lange durch das ganze Rohrsystem. So wird am hintersten Ende beim 3D-Drucker nicht mehr abgesaugt.
Man müsste die Anschlüsse nah am Lüfter drosseln können. Die Lüftungstechnik hat dafür die Tellerventile zum Deckeneinbau entwickelt. Die sind aber nur zum einmaligen Einstellen gedacht, in der Werkstatt ändert sich der Lüftungsbedarf potenziell ständig.

Deshalb habe ich eine leicht verstellbare „Drosselklappe“ im CAD zusammengemalt.

Lüftungsdrosselklappe

Der Trick daran ist, das das Gehäuse aus zwei gleichen Halbschalen besteht. Die Drosselklappe muss ja auf einer Seite von oben zuschlagen, auf der anderen seite von Unten. Überkopf druckt es sich ja schlecht. So können beide Teile in der gleichen Ausrichtung gedruckt, und eines nachher umgedreht werden.

Das Gehäuse passt in die Gummidichtung der Rohranschlüsse. Es ist angedacht die Klappen ggf. später mit Mini-Servomotoren zu Motorisieren. Für diesen Zweck ist die Konstruktion ideal, da mit kleinem Betätigungswinkel der gesamte verstellbareich abgefahren werden kann, und die mittig gelagerte Klappe auch kraftlos verstellt werden kann. Mit „Kraftlos“ ist gemeint, das die Luftströmung keine Kraft auf die Klappe ausübt, da sich die Kräfte die auf die beiden Klappenhälften wirken bei dieser Anordnung aufheben.
Somit ist auch manuelle Einstellung problemlos möglich, da die Luftströmung die Klappe nicht verstellen kann.

Nach dem Druck müssen die beiden Hälften zusammengefügt werden und die Löcher für die „Welle“ der Lüftungsklappe nachgearbeitet werden. Ich habe es mit der Reibahle gemacht.

Die Klappe ist aus 2mm starkem Plexiglas. Das reicht für diesen Einsatz völlig aus.

Ein Prototyp wurde ausgedruckt und zusammengesetzt und darf sich bald im Makerspace beweisen.

Lüftungsdrosselklappe

Die Schraube im Langloch des Verstellrades schützt die filigrane „Welle“ der Klappe vor Fehlbedienung. Eine Silikonscheibe unter dem Einstellrad sorgt für etwas gezielte Reibung beim verstellen der Klappe.

[lueftungsklappe.zip, 1MB]

„China“-Lasergravierer (4) Umbau Kühlkreislauf

Nachdem ich für erste Tests erstmal eine kleine Reservoirkühlung eingesetzt habe, sollte nun das herumgebaumel von Schläuchen der externe Wasserbehälter verschwinden und alles am Gerät untergebracht werden.

Die abzuführende Wärme hält sich ja in Grenzen (das ist in einem der früheren Beiträge zu diesem Laser genau erklärt), daher habe ich mit Dimensionierung nach Bauchgefühl einen Radiator mit zwei 120mm Lüftern bestellt. Das sollte ausreichen um die anfallende Wärme an die Umgebungsluft abzugeben.

Der Wasser-Luft-Wärmetauscher wird an der Rückseite der Maschine angebracht. Da zwischen den elektrischen Anschlüssen und dem Lüfter bereits die Luftpumpe wohnt, wird es langsam eng. Ich habe mit dem 3D-Drucker spezielle Haltewinkel hergestellt, die den Wärmetauscher über der Luftpumpe mit so einem Abstand zur Geräterückseite halten, dass die Klappe über der Laserröhre noch geöffnet werden kann. So muss man nicht erst die Kühlung abbauen, wenn der Laserspiegel nachgestellt werden muss.

k40laser-wasserbehaelter

Da gibts natürlich noch eine kleine Zusatzaufgabe: Die Lüfter brauchen Strom. Das Lasernetzteil liefert 24V für die Schrittmotoren, die Lüfter brauchen 12. Die Spannung für die Lüfter erzeuge ich mit einem dieser kleinen Step-Down Schaltreglermodule, den ich auch 10V eingestellt habe, damit die Lüfter nicht so viel Lärm machen.

k40laser-luefterstrom

Für die Lüfter habe ich dann einen DC-Anschluss in die Rückwand eingebaut.

k40laser-luefteranschluss

Wenn nun die Wärme vom Laser direkt nach dem Durchlauf des Wassers durch die Laserröhre abgegeben wird, reicht nun ein kleiner Wasserbehälter aus, der als Ausgleichsbehälter bzw. „Schwimmbecken“ für die Unterwasserpumpe dient.

Wenn das auch noch an die Rückseite von der Maschine angebaut werden soll, bleibt dafür nur noch der Platz zwischen Gehäuseseitenwand und Lüfter. Viel Platz ist da ja nicht. So 10x14x10cm etwa.

Auf der Suche nach geeigneten Behältern für die Lebensmittelaufbewahrung bin ich zwar mit einem 0,8L Behälter in den passenden Abmessungen fündig geworden, allerdings hatte der einen „Premium“-Preis im Versandhandel und war bei den lokalen Einkaufsmöglichkeiten gar nicht im Sortiment. Schlussendlich hätte ich 6 Euro für die Büchse bezahlen müssen, und nochmal so viel Versandkosten. Bei den Preisen kann ich das auch selbst herstellen.

Ein Behälter nach Maß im CAD gezeichnet, und dann aus ABS gedruckt.

k40laser-wasserbehaelter

ABS hat den Vorteil das es in Aceton ausgelöst werden kann, und dann mit dem Pinsel eine geschlossene ABS-Schicht auf der Innenseite vom Behälter aufgetragen werden kann. So ist dieser garantiert 100% Wasserdicht. Da ich den Behälter ja selbst konstruiert habe, hat dieser nicht nur die richtigen Abmessungen, sondern auch gleich Laschen zum Anschrauben an der Maschine, und ein Loch im Deckel zum durchführen der Leitungen für Strom für die Pumpe und natürlich Vor- und Rücklauf für den Kühlkreislauf. Nebenbei steckt dann noch ein Temperaturfühler zur Überwachung darin.

k40laser-wassertank

Da die Wasserkühlung sehr wichtig für das Überleben der Laserröhre ist, möchte man gerne eine Kontrolle über die Funktion der Wasserkühlung haben. Ich dachte erst an einen Durchfluss-Sensor und das Auswerten der Sensorpulse mit einem Mikrokontroller, aber irgendwie muss das ja auch nicht alles so kompliziert sein, wenn es auch viel einfacher geht:

k40laser-durchflussanzeige

Eine mechanische Durchflussanzeige tut es auch. Die Kühlflüssigkeit bewegt das Flügelrad beim Durchlauf durch das Gehäuse einfach mit. Das Gehäuse ist ein 3D-Druck aus ABS, die Frontscheibe ist aus Plexiglas. Eine kleine Sacklochbohrung auf der Innenseite der Scheibe hält eine „Achse“ aus einem Stück Filament. Die Scheibe ist mit einem spaltfüllenden Plexiglas-Spezialklebstoff von Evonik auf das Gehäuse geklebt.

Wer sich die Halter für den Wärmetauscher genau angesehen hat, dem sind vielleicht oben so kleine Befestigungslaschen aufgefallen. Diese dienen zum Anbringen einer Frontplatte wo der Durchflussanzeiger und das Thermometer für die Kühlmitteltemperatur schön im Sichtbereich angebracht werden sollen.

k40laser-kuehlkontrolle

So sieht das doch ganz ordentlich aus. Wer wohl die Löcher zum Anschrauben der grauen Platte falsch gemessen hat? 🙂

„China“-Lasergravierer (3)

Weiter zum Laser: Was mir noch aufgefallen ist.

Das Lasergehäuse lässt ein paar Sicherheitsmaßnahmen vermissen.
Die Klappe vom Elektronikgehäuse hat keine Massebrücke vom festen Gehäuseteil auf den Beweglichen. Das Gleiche gilt für die Klappe über der Laserröhre.

k40 Massebrücke

Neben dem Massepunkt am Gehäuse neben der Kaltgerätebuchse findet man an der Klappe des Elektronikgehäuses angeschweißte Stehbolzen die die Frontplatte halten. Hier besteht eine ordentliche elektrische Verbindung zur Klappe.
An der rückseitigen Klappe über der Laserröhre muss man sich mit einer Schraube und dem Abkratzen der Farbe behelfen.

k40 Massebrücke

(Ich habe das ganz einfache Modell mit Schalter, Taster, Poti und Zeigerinstrument für den Strom)
Der mechanische Tast-Schalter für die Laserfreigabe gefällt mir nicht, da nur schwer zu sehen ist ob der Laser jetzt ein- oder ausgeschaltet ist. Da muss eine Anzeige hin.

k40 LaserLED

Neben dem Poti habe ich eine superhelle orangefarbene LED eingebaut. Am Poti Anfang/Ende Anschluss bekommt man 5V vom Lasernetzteil, über dem Schalter liegen ~6-7V wenn Laser aus ist, und <0,5V wenn laser an ist. Diese Spannung ist aber nicht belastbar und wird mit zwei Transistoren (N-Mosfet und PNP Transistor) zum Schalten der LED verwendet.

Das Gehäuse hat auf der Unterseite ein großes Luftloch, was sich genau unterhalb vom Gravierhalter befindet, wodurch der (zwar nicht mehr fokussierte) Strahl nach unten das Gehäuse verlassen kann und den Unterbau ankokelt. Das muss abgedeckt werden.

k40 Loch

Warum da überhaupt ein Loch ist? Nun, wenn man viel Luft aus einem Gehäuse absaugen möchte, muss ja irgendwoher „Ersatzluft“ kommen um die abgesaugte zu ersetzen.

Ein Reststück Stahlblech aus einem alten Computergehäuse ergibt mit zwei klecksen Karosseriekleber eine Abdeckung für das Loch. Das blech hat ca. 1cm Luft zum Bodenblech und ist auf 3 Seiten offen. So kommt zumindest noch etwas Luft hinein, ohne das der Laserstrahl raus kann.

k40 Lochabdeckung

Um Anbrennen von zu lasernden Materialien (vor allem bei Wellpappe und Papieren) zu verhindern und das Erhitzen von Aluminiumblech beim Laserbeschriften einzuschränken, empfiehlt sich eine Luftdüse die einen kräftigen Luftstrahl auf das Werkstück bläst. Ein gern mitgenommener Nebeneffekt ist, das die Laserlinse so weit weniger verschmutzt weil die nachgeführte Luft den Qualm vom Lasern von der Linse wegbläst.

k40 airassist

Ein 3D-Druckteil sorgt für die entsprechende Düse.
Die Luft wird von einem Schwingkolbenkompressor bereitgestellt.
Ich habe den Osaga LK-60 (auch: Hailea ACO-318) gekauft, er liefert 1L Luft pro Sekunde.

Weiterhin ist mir aufgefallen, das der Hochspannungsanschluss der Laserröhre etwas prasselt. Also mal den Silikonverguss abgeprokelt und daruntergeschaut.

k40 hochspannung

Aus der Glasröhre guckt ein kleines Stück Metall heraus, welches nicht lötbar ist.
Darum ist die Litze vom Hochspannungskabel herumgewickelt, ein Stück Silikonschlauch draufgesteckt und alles vergossen.
Eine kurze Internetrecherche zeigt, das man das nicht viel anders machen kann da Klemmen mit scharfen Kanten Koronaentladungen und andere hässliche Dinge herbeiführen.
Also habe ich den Kontakt etwas blank gemacht und die Verbindung wieder hergestellt und neu isoliert. Funktioniert erstmal wieder, das Prasseln ist auch verschwunden.

„China“-Lasergravierer (2)

Weiter gehts mit dem Lasercutter.

Nach dem Auspacken habe ich folgendes unternommen:
Durchmessen des Schutzleiteranschlusses zum Metallgehäuse, denn das Gerät funktioniert mit Hochspannung. (war ok <1 Ohm)
Kontrolle aller elektrischer Anschlüsse am Netzteil (Schraubklemmen festdrehen)
Wasserpumpe ausprobieren (läuft)
Lüfter ausprobieren (läuft).

Für Wasserpumpe und Lüfter sind amerikanische Stecker und Steckdosen verwendet worden, das entspricht so nicht der CE norm, funktioniert aber. Gegenüber unseren Anschlüssen ist der Berührungsschutz verringert weil die blechkontakte der Stecker an der Steckergehäuseseite nicht diese 5mm isolierung haben, wie es an den moderneren Schuko/Eurosteckern üblich sind, und man mangels eingesenkten Steckdosen auch leichter mit dem Finger heranreichen kann. Auf der Rückseite vom Gerät und außer Reichweite bei normaler Gerätebedienung kann man das so hinnehmen.

Die Wasserpumpe ist nichts besonderes und soweit in Ordnung, es werden wechselnde Fabrikate mitgeliefert (also selber prüfen).

Nun zum Lüfter: Der Klemmkasten vom Lüftermotor gehört überarbeitet.
klemmkasten
Die Leitungen sind nur zusammengerödelt und mit Glasgewebeschlauch isoliert.
Da könnte man wago 221-klemmen nachrüsten, oder allermindestens mal einen Lötpunkt drauf machen. Zugentlastung ist am Kabel dran, ansonsten also soweit ok.

Das Thema Lüfter ist an der Stelle aber noch nicht beendet, da hier verschiedene ähnliche Modelle mitgeliefert werden. Der Unterschied ist, ob das Lüftergehäuse flach ist, oder aus einem 2-3cm Kasten besteht. Ich habe das flache Modell bekommen, was leider nicht so gut ist. Denn der Luftauslass aus dem Lasergehäuse hat nur wenig Überdeckung mit dem Lufteinlass vom Lüfter, und es ist gar kein Platz damit die Luft so richtig von einem Loch zum anderen kommt.
Zudem ist die Befestigung sehr lose, was dafür sorgt das der Lüfter von sonstwoher Luft ansaugt, statt aus dem Laser.

luefterrahmen

Das Problem habe ich mit einem Rahmen aus speziell dafür angefertigten Profilen aus dem 3D-Drucker gelöst. Dabei wird die Befestigung verbessert, die Luftspalte auf ein erträgliches Maß verringert und außerdem noch Platz geschaffen damit die Luft zur Ansaugöffnung des Lüfters gelangen kann.
luefterrahmen
Oben kommt dann noch ein entsprechendes Abdeckprofil drauf. Das fehlt auf dem Foto noch, aber so kann man besser sehen das da jetzt „Luft“ ist für die Luftströmung. Der Lüfter wird einfach in die Kunststoffprofilschienen von oben eingeschoben.

Für den Luftschlauch (Öffnung zu weit) habe ich einen dünnen Zwischenring hergestellt, es geht auch einfach mit Gewebeklebeband. Zum ersten Funktionstest also den Schlauch aus dem Fenster und los? Nein, es fehlt ja noch das Wasser.

Die Glaslaserröhren sind wassergekühlt. Also die Wasserpumpe angeschlaucht, in einen Eimer gelegt, Wasser rein und los.

Dabei kommen natürlich Fragen auf:
Wie warm darf das Kühlmittel werden?
Wieviel Wärme muss abgeführt werden?
Welche Kühlflüssigkeit..?

Eine Internetrecherche brachte verschiedene Angaben zu Tage.
Zunächst: Blankes Wasser führt zur Bildung eines Biofilms in den Schläuchen und ein offener Behälter zieht alles mögliche an. Das ist nicht so gut. Das mindeste ist Destilliertes Wasser, auf meiner Pumpe bildete sich nach 2-3 Tagen aber trotzdem ein schmieriger Film. Deshalb ein wenig Kühlerfrostschutzkonzentrat fürs Auto ins Wasser geben, damit da nichts wächst was den Kühlkreislauf beeinträchtigen kann.

Wie warm: Zimmertemperatur, und möglichst nicht mehr. Man hält sich bedeckt wieviel noch zu tolerieren ist. <30grad wird wohl noch in Ordnung gehen.

Wieviel Wärme?
Der Wirkungsgrad von CO2 Lasern beträgt ca. 10%. Also wenn da 40W herauskommen, dann würden da 400W-40W, also 360W wärme mit dem Wasser abgeführt werden müssen. Realistisch sind die kleinen Laserrohren in den 40W lasern bei der Leistung bereits überlastet (auch wenn ein echtes 40W lasernetzteil darin ist) und würden bei diesem betrieb sehr schnell altern. Man möchte sich also aufgrund der Lebensdauer der Röhre auf ~15mA Strom beschränken, das Netzteil brächte 25mA maximal, die Betriebsspannung ist ca 20kV.

Also ganz grob kommt da 0.015A*20kV = 300W leistung in die Laserröhre, und davon müssen 270W mit der Kühlflüssigkeit abgeführt werden.
Hat man also einen Wasserbehälter mit 5 Liter Wasser (4,1kws*5L*8 grad) kann man bei 22 grad Zimmertemperatur ca. 600 sekunden (=10 minten) lang die 270W Abwärme in das Kühlwasser abführen bis es sich auf 30 grad erwärmt hat. Dabei wird die Wärmeabgabe an die Umgebung über Schläuche und Reservoir einmal außer acht gelassen.
Jetzt kann man also seine eigenen Einsatzszenarien anlegen und grob mit 5L pro 10 Minuten als Faustformel die Größe der Wärmesenke dimensionieren.
Es geht natürlich noch anders, aber dazu später mehr.

Die „teuren“ Markengeräte verwenden übrigens Röhren aus Metall mit Kühlrippen, die ihre Wärme an die Luft abgeben können.

Was passiert wenn der Kühlkreislauf versagt: Die Enden der Laserröhre erhitzen sich soweit, das sich die Klebestellen der justierten Laserspiegel erweichen und die Spiegel sich verstellen. Das kann in gewissem maße reversibel sein so lange es nur die Wärmeausdehnung des Klebers ist (falls man das schnell genug bemerkt), wird es zu heiß ist die Laserröhre defekt und muss ersetzt werden.

„China“-Lasergravierer (1)

Es ergab sich der Wunsch, farbig eloxiertes Aluminiummaterial zu lasergravieren. Dabei erscheint die gewünschte Kontur dann hell auf dem farbigen Eloxal-hintergrund.

Ich hatte aus anderen Gründen längere Zeit vorher schon mal erkundet, das die chinesischen Import-Lasergravierer im Preis deutlich nachgelassen haben. Die kleinsten „40W“ CO2 Laser kommen als Fertiggerät im Inlandsversand aus Bremen für gerade noch 340 Euro (2017) binnen 2-3 Tagen ins Haus.

Nebenbei gibts ja auch so genug Verwendung für einen Laser. Zur Frontplattenbeschriftung, zum Zuschneiden von Plexiglas für Zwecke aller Art, da fällt einem wie beim 3D-Drucker vor lauter Schreck erst gar nix ein, aber mit der Zeit kommen die Anwendungsfälle noch und nöcher.

Es sollte zwar ebenso im Makerspace Erfurt so eine Maschine (eine Größere natürlich) angeschafft werden, allerdings war die Durchführung dieses Unterfangens zu dem Zeitpunkt aus verschiedenen Gründen noch völlig in Frage gestellt oder zumindest zeitlich nicht absehbar, und wenn dann eher eine längerfristige Sache.

Daher gabs dann den Zuschlag zum billigen China-Importgerät.

Das kam unerwartet schnell direkt mit DHL, und der Karton war riesig. Also so richtig. Entgegen der Angabe des Händlers waren die 40Kg dann doch nur 27, weshalb das Gerät mit der ganz normalen Paketpost ausgeliefert werden konnte.

Das Gerät wurde dann erst einmal auf grundlegende Funktion getestet und dann genauer Inspiziert, denn bei China-Import Geräten sollte man besser nur das glauben, was man auch mit eigenen Augen gesehen hat.

In der Kiste war neben der Maschine noch eine Unterwasser-Zimmerspringbrunnenpumpe, ein Lüfter und ein allerbilligster Lüftungsschlauch aus Plastik, der nicht richtig auf den Lüfter passt.

Es ist also alles so, wie man es für den Preis erwartet.

Zudem eine geringfügige Handlungsanweisung zur Inbetriebnahme und zum einjustieren der Laserspiegel, eine Software-CD und ein USB-Dongle für die Software.

Die Maschine kam ordentlich verpackt in einem Karton, in dem ein Karton war, in dem 4cm dickes Styropor ist, worin sich das Maschinengehäuse befindet.

Die Laserspiegel waren schon mal „so ungefähr“ eingestellt.

In den Kühlwasserschläuchen war Wasser, also ist das Gerät im Werk schon mal getestet worden.

Und was ist eigentlich mit Fotos, vom riesigen Karton und so? Ich habe irgendwie gar keine gemacht. Deshalb gibts keine.