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„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.

„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? 🙂

Workflow: von Freecad zum Lasercutter (bitmap) mit LaserDRW

Für Schnitte und Gravuren mit dem Laser muss natürlich irgendwie die zu schneidende Kontur vom CAD auf den Laser.

Eine Anwendung bei mir ist: Ich habe ein 3D-Modell von einem Teil in Freecad, und möchte ein Teil davon (z.B. Frontscheibe) mit dem Laser aus Plexiglas schneiden. Durch die Kombination mit dem 3D-Modell kann ich sehen, ob die Scheibe wirklich auf das darunterliegende Teil passt.

Ich verwende erstmal die mitgelieferte Software LaserDRW 2013.

Also wie funktionierts denn überhaupt erstmal:

1. auf freecad-toolbar part wechseln
2. Schnitt durch Bauteil erzeugen: Menü Formteil -> Schnitte (oder Symbol in der Toolbar)
3. erzeugten Schnitt links in der Modelliste auswählen
4. Exportieren als „Flattened SVG“
5. Svg in Gimp importieren -> Auflösung auf 300dpi erhöhen -> ok
6. neuen Layer anlegen, Hintergrundfarbe weiß
7. den alten Layer mit der Schnittzeichnung über den weißen Layer legen, so dass die Linien zu sehen sind
8. Menü Bild -> Modus -> Indiziert -> S/W 1bit (2 Farben)
9. Füllwerkzeug (Farbtopf) nehmen und das objekt welches ausgeschnitten werden soll schwarz ausfüllen. Die löcher bleiben weiß.
10. als PNG exportieren.
11. mit Alt+Enter die Bildeigenschaften anzeigen: Maße in mm sind wichtig.
12. Im Laserdrw rechts am Rand die Arbeitsfläche genau auf die Maße von der Graphik einstellen
13. Die PNG Graphik im laserdraw öffnen
14. Lasern (gravur oder schneiden auswählen, Leistung, Schnittgeschwindigkeit, Durchgänge einstellen.)

„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.