Полупроводниковый лазер (DIY): резка и гравировка

5 (100%) 3 vote[s]

Полупроводниковый лазер (DIY) — главный рабочий компонент получивших популярность бытовых граверных или комбинированных фрезерно-граверных станков. Эпоха самодельных станков с ЧПУ отходит в прошлое, и каждый поклонник автоматизированных систем может начать практическое с ними знакомство именно с этого недорогого сегмента оборудования.

Чтобы начинающему любителю быстро войти в тему лазерной резки, сразу отметим, что в большинстве случаев для резки-гравировки материалов применяют 2 вида лазеров: полупроводниковые и газовые. В двух словах: в чем разница? Разница в среде возникновения излучения, мощности и, что немаловажно, длине волны. На что влияет тип лазера?

Полупроводниковый лазер: особенности

полупроводниковый лазер
DIV (полупроводниковый лазер)

Полупроводниковый лазер — это сегмент бытового оборудования. В качестве излучателя выступает лазерный диод.

Основные характеристики, которые полезно знать о бытовых DIY-лазерах, используемых для гравировки:

      • длина волны — 450 нм (сине-фиолетовый цвет);
      • номинальная мощность (от 0,5 до 15 Вт);
      • и вытекающая из этих характеристик область применения (не для промышленного использования).

Типичная формулировка — «для хобби, мелких гравировальных работ«, или более туманно «хороший помощник в гараже».

полупроводниковый лазер диод

Ограниченность области и масштабов использования этого типа излучателя (рабочее поле комбинированных станков редко превышает 300х300 мм, у «чистых» граверов — чуть больше) объясняется малой мощностью (на что способен такой тип лазера, см.ниже), ограниченным ресурсом (заявленные китайцами 10000 ч), длиной волны. Прозрачные материалы (стекло, оргстекло и т.д.) пропускают волну 450 нм, поэтому резать их DIV-излучателем не получится (для гравировки используют непрозрачное покрытие).

Всему этому функционалу соответствует и тип управляющей платы с предустановленными драйверами под двигатели малой мощности (Nema17) 1,3-1,8А и блоком питания до 5А.

Полупроводниковый лазер представляет собой отдельный небольшой модуль со встроенной системой охлаждения (как правило — кулером), что делает его эргономичным и мобильным. Поэтому выпускают станки с комбинированной крепежной муфтой на оси Z, в которую можно быстро вставить шпиндель или так же быстро заменить его лазерным модулем. Именно полупроводниковый лазер входит в комплект (или предусмотрена возможность его монтажа) комбинированных фрезерно-гравировальных настольных станков. Под такие задачи делают и платы управления, в которые впаяны драйвера для шаговых двигателей и отдельные разъемы для подключения шпинделя и полупроводникового лазера:

полупроводниковый лазер плата управления
Плата GRBLMega328P-MU-V11

Газовые лазеры

Это уже промышленный вариант для массового и масштабного производства. Высокая мощность (от 40 вт и до киловатт). Есть разные виды газовых излучателей, но в производстве применяют лазерные трубки, активной средой в которых является смесь газов, в основной массе — диоксид углерода, или углекислый газ. Их так и называют: СО2-лазеры. Длина волны намного больше, чем у полупроовдникового — 10,6 мкм, что делает стекло или акрил непрозрачным для такого луча, и он с успехом их режет.

Благодаря высокой мощности, основная работа для такого лазера на производстве — это именно резка и гравировка твердых и толстых материалов, в т.ч. резка и сварка металлов.

Такие станки, разумеется, монофункциональные. Схема включения газового лазера в конструкцию станка сложнее. Требуются дополнительные специальные зеркала (которые выполняют функцию резонатора волны) и фокусирующая линза. Эта оптика выполнена из особых химических соединениий. Зеркала делают из кремния (SI-зеркала) или молибдена (MO-зеркала). Кремневые более дешевые, с лучшим коэффициентом отражения. Кроме того, зеркала покрывают слоем золота.

Линзы делают из селенита цинка (ZnSe, желтые, самые распространенные) или из арсенида галлия (GaAs, зеленые, для фокусировки на заданное расстояние для мощных станков > 130 Вт).

Есть в продаже готовые «рамки» на 2 оси с установленным СО2 лазером, но есть варианты и для самостоятельной сборки, все необходимые комплектующие сегодня доступны.

А вот правильно укомплектовать такой станок самостоятельно (плюс к вышеописанному система охлаждения и питания) — это уже отдельная тема. Вопрос в цене. Полупроводниковый лазер дешевле «в разы» газового и менее прихотлив к условиям эксплуатации.

Полупроводниковый лазер 450 нм: практические возможности

Полупроводниковый лазер выпускается в разных мощностных категориях: 0,5 Вт, 2,5 Вт, 5,5 Вт, 10 Вт и 15 Вт. С возрастанием мощности увеличивается режущая способность и, соответственно, цена. Если разница в показателях эффективности и стоимости у лазерных модулей от 0,5 до 5,5 Вт отличаются не столь значительно, то полупроводниковый лазер мощностью в 10-15 Вт по эффективности и стоимости превосходит их более, чем вдвое.

Полупроводниковый лазер 0,5-2,5 Вт

Это маломощное оборудование. Максимальная глубина резки картона (на наибольшей мощности с минимальной скоростью, не допускающей обугливания краев реза), темного в слое акрила, бумаги, фанеры — 1-1,5 мм. Так, после трёх проходов при скорости 200 глубина реза составляет 1,5 мм. Для резки фанеры увеличение количества проходов малоэффективно (из-за наслоения в глубине реза сажи). Есть, конечно, варианты с подключением компрессора с постоянным обдувом места реза для удаления продуктов горения. Но сама система будет стоить дороже лазерной головки. Кроме того, любое увеличение проходов больше 5 — это слишком долго, нецелевое использование и быстрый износ лазера.

Таким образом, не стоит ждать фантастических результатов от маломощных лазеров. А вот для изготовления сувенирной продукции, мелкой гравировки этот лазер подходит отлично:

Полупроводниковый лазер 5,5 Вт

Этот модуль может хорошо справляться с фанерой 3-4 мм, если стандартную заводскую линзу заменить короткофокусной G2 (f=4mm, т.е. практически впритык к поверхности обрабатываемого материала).

короткофокусная линза на полупроводниковый лазер

Но при резке фанеры необходимо обеспечить отвод газов с продуктами горения, так как копоть будет оседать на линзе. Здесь без компрессора или хотя бы кулера не обойтись.

Лазеры от 8 Вт и выше

Стандартные платы управления обеспечивают питанием и двигатели, и шпиндель, и лазер. Обычно они комплектуются блоками питания 12-24В 1–3А. Для более мощных лазерных головок, от 5 Вт и выше, такой силы тока недостаточно (они попрсту не будут выдавать полную мощность), поэтому для лазера может понадобиться независимая плата с блоком питания (5А) и система охлаждения. Обычно они и продаются в комплекте: полупроводниковый лазер + кулер + блок питания:

полупроводниковый лазер 5,5 Вт
Полупроводниковый лазер 5,5 Вт

Такой модуль справляется с резкой фанеры 4 мм за 2-3 прохода.

Лазер 15Вт

полупроводниковый лазер 15 Вт

Эти блоки выпускают обычно с уже предустановленной фиксированной короткофокусной линзой (в пределах 5-10 мм). Т.е. фокусировка луча на поверхности обрабатываемого материала выполняется при помощи перемещения всей лазерной головки, поэтому удобно, если в станке есть ось Z. Эти модули хорошо справляются с резкой фанеры 3 мм и гравировкой цветных металлов.

Некоторые рекомендации по гравировке металла

При работе с лазером нужно защитить глаза специальными очками!

Если лазер слабый — не беда. Есть варианты. Гравировка металлов лазером (сталь, латунь, медь, цинк, алюминий) хорошо выполняется при помощи специальных паст или спреев для гравировки (например, Cermark LMM-6000):

Паста или спрей наносится на обрабатываемую поверхность. Ей нужно дать высохнуть, затем выполнить гравировку.

Глубокое травление металлов (стали, алюминия) выполняется методом электролиза. Вначале обрабатываемую поверхность либо заклеивают пленкой, либо закрашивают (например, лаком, так лучше). После высыхания краски выполняют гравировку. Таким образом, поверхность металла в месте рисунка оголяется. Затем заготовку опускают в раствор поваренной соли, или лимонной кислоты, или хлорида железа, и пропускают постоянный ток 12 В. Плюс подсоединяют — к заготовке, минус — к графитовому стержню.

Программы и прошивки

Для создания моделей 3д используют Autodesk ArtCam, AutoCad. Из бесплатных — Blender. Для создания векторов для гравировки/резки — CorelDraw. Из бесплатных — Incskape.

Управляющие программы — Candle 1.1 и grblControl для фрезеровки, для лазерной резки/гравировки — Engraver Master, LaserEngraver, Laser GRBL (Benbox). Эти программы бесплатные, их можно найти на ГитХабе или скачать здесь одним архивом с руководством (на английском), прошивками GRBL и расширением для Incskape inkscape_bachin_plugin для генерирования и работы с G-кодом под эти программы. Для работы программ в Windows7 нужен Microsoft Visual C++2013 и .net Framework v.4.0.

Читайте больше по теме:

Подписаться
Уведомление о
guest
0 комментариев
Inline Feedbacks
View all comments
Просмотры: 1009

Популярные записи