Gravírka Laser G1 i1

Autor: Michal Tulach

Vedoucí práce: Ing. Bc. Petr Hellebrand 

Škola: SPŠEaG V Úžlabině 

Toto je první verze mnou navržené trojosé laserové gravírky Laser G1 i1. Gravírovací oblast je 495⨉450mm, ale může být libovolně rozšiřitelná, nebo zmenšená použitím delších nebo kratších lineárních vedení, hliníkových profilů a řemenů. Použil jsem 5.5W (optický výkon) laser NEJE N30820, který je schopen gravírování na dřevo, plast, do barvy a do dalších měkkých materiálů. Nedokáže gravírovat do kovů a do tvrdších materiálů, což jsem už otestoval. Po úpravě firmwaru lze použít i malou frézku, nicméně je také potřeba si vymodelovat úchyt. Pro kinematiku jsou použity čtyři krokové motory NEMA 17 a celá gravírka je řízená 8bitovým mikrokontrolérem Arduino MEGA 2560, na kterém je nahraný firmware Marlin. Gravírka je navržena pro domácí použití nebo pro použití v malých výrobních provozech. Vím, že použitý hardware není nejnovější, nicméně je to zatím prototyp a první verze tohoto projektu. V budoucnu mám v plánu některé věci poupravit a hardware vyměnit za novější typy.

Předem upozorňuji, že přívod napájení je síťový 230V, takže je nutnost mít potřebné oprávnění k práci s nebezpečným napětím. Také je zde výkonný laser, který může poškodit zrak, silně doporučuji si před prací pořídit brýle proti laserovému paprsku a při gravírování je mít nasazené a také se chovat zodpovědně. Nenesu žádnou odpovědnost za žádné škody způsobené tímto projektem.

Konstrukce tohoto projektu není jednoduchá a je určena zejména pro ty, kteří mají zkušenost s pájením a elektronikou vůbec. Také je vyžadována alespoň základní orientace ve schématech a konstrukčních plánech.

Nástroje a komponenty 

Potřebné nástroje:

• 3D tiskárna
• sada imbusových klíčů
• sada šroubováků
• malé kleště
• štípací kleště
• kleště na odizolování drátů (není nutností, ale výražně ulehčí práci)
• pájecí pero
• tavidlo a pájecí materiál
• odlamovací nůž
• běžný zapalovač
• malý plochý a kulatý pilník (dle potřeby, pokud vaše tiskárna nedosahuje velké přesnosti)

Potřebné komponenty:

• Arduino MEGA 2560
• RAMPS 1.4 Shield
• Laser NEJE N30820 20W (optický výkon 5.5W)
• 3⨉ krokový motor NEMA 17 1.5A, 1.8°
• 1⨉krokový motor NEMA 17 Pancake 1A, 1.8°
• 3⨉ driver DRV8825 i s chladičem
• řemen GT2 5m
• 3⨉ řemenice GT2, 30zubů, na hřídel 5mm, šířka 6mm
• 3⨉ řemenice GT2, 30zubů, na šroub s ložiskem 5mm, šířka 6mm
• 2⨉lineární vedení s vozíkem MGN12H 600mm
• 1⨉lineární vedení s vozíkem MGN12H 550mm
• 1⨉lineární vedení s vozíkem MGN7H 77,5mm
• 1⨉ hliníkový profil KOMBI 3030 610mm
• 2⨉ hliníkový profil KOMBI 3030 600mm
• 2⨉ hliníkový profil KOMBI 3030 550mm
• konektor D-Sub 25 do panelu, 3A/pin (oba typy M a F)
• 1-pól kolébkový přepínač, 3A, rozměry 18⨉6mm
• 3⨉ deska koncového spínače (lze zhotovit doma fotometodou a leptáním)
• 3⨉ sada součástek koncového spínače - mikrospínač, LED dioda 1206, 10kΩ rezistor 1206, 240Ω rezistor 1206, 100nF kondenzátor 1206, 3-pin JST XH konektor (typ M a F)
• postačí 1kg filamentu (PETG, PET, ASA, ABS nebo silnější, ale ty nejsou potřeba)
• pro vícebarevný tisk i další barvy dle výběru
• sada šroubků různých délek a matek od velikosti M2 do M5 (ale je třeba nahlédnout do sestav nebo modelů a podle toho vybrat počet šroubků a matek)
• M3 a M8 matky do profilu KOMBI 3030 (opět je třeba nahlédnout do sestav)
• sada několika vrutů dle vhodnosti do dané díry
• několik zip pásků pro uchycení a spojení kabelů
• kabeláž - 4žilový průměr 1mm alespoň 10m, 3žilový průměr 1mm alespoň 8m, 4žilový plochý kabel průměr 1mm stačí 2m, ostatní drobné kabely
• sada teplem smrštitelných trubiček
• fastony na kabel
• dutinkové lišty 2.54mm 2pin, 3pin, 4pin
• signální LED dioda s rezistorem na 12V
• ventilátor 12V  

Silové komponenty:

• síťový konektor IEC C14 do panelu
• spínaný zdroj MEAN WELL RD-125-2412 (není ideální, ale použil jsem ho, protože jsem ho měl doma, krabice je na něj navrhovaná, případně lze použít i RD-125-2412)
• 2⨉ pojistkové pouzdro na pojistky 5⨉20mm, průměr 12mm
• trubičkové pojistky 5⨉20mm F3,15A a T2A
• 2-pól STOP tlačítko, 5A, vnější průměr 30mm
• 2-pól kolébkový přepínač, 5A, rozměry 21⨉27mm

Komponenty pro provoz:

• Euro kabel (s koncovkou IEC C13)
• kabel USB-A na USB-B

Samotný tisk modelů

Postačí nastavení pro tisk klasických modelů:  

• vrstva 0.2mm
• 3 stěny
• výplň 25% kubická
• podpory stromové

U některých modelů jsou vymodelované díry na matky, které se pak do díry vloží. Je tedy zapotřebí si modely prohlédnout a ve sliceru nastavit pauzu v příslušné vrstvě, aby se sem matky daly vložit. Matky uvnitř jsou zde kvůli pevnosti spoje a kvůli opakovatelnému rozebírání, nechtěl jsem totiž použít vruty. 

Také při tisku krabice a předního nápisu nastavte vícebarevný tisk. Nutnost to není, je to pouze estetická věc. 

Sestavení

Nejprve doporučuji osadit krabici řídící jednotky jednotlivými komponenty. To provádějte dle přiloženého schématu a vaše konstrukce by měla být podobná, jako na fotkách, které přiložím doleji. Pak sestavte kompletně celou základnu. Je dobré si vozíky lineárních vedení nějak upevnit, ať nevyjedou z lineárního vedení. Nasazování vozíků zpět je totiž docela obtížné. Po základně začněte sestavovat rameno a pak ukotvěte a napněte oba řemeny pro pohyb osy Y. Pak smontujte celou hlavu a tu pak přišroubujte na vozík vedení osy X. Opět pak ukotvěte její řemen. Celou konstrukci doporučuji provádět buď podle plánů, fotek nebo podle sestav ve Fusionu. Až na závěr bych řešil kabeláž a propojení do konektoru D-Sub 25. To proveďte již nakoupenými vícežilovými kabely podle schématu. Celá konstrukce by opět měla být podobná, jako na fotkách doleji.

Foto konstrukce

Nahrávání firmwaru

Teď přichází na řadu už samotné nahrávání firmwaru Marlin. Tento program jsem použil kvůli jeho snadné úpravě a kompatibilitě, jelikož jej užívá většina 3D tiskáren, gravírek a CNC strojů. Stačí pouze připojit Arduino MEGA k vašemu počítači přes USB kabel, otevřít soubor .ino s Marlinem v Arduino IDE, zvolit vhodnou desku a nahrát. Firmware se dá i jednoduše poupravit při rozšíření stroje, pro úpravu chování a převodů nebo pro vyšší/nižší rychlosti.

Oživení a ovládání

Pokud jsou předchozí kroky hotové, teď už jen stačí připojit k řídící jednotce napájecí kabel a Arduino MEGA z krabice připojit k vašemu počítači. Pro test funkčnosti lze použít nejprve program Printrun, kterým otestujete pohyby. Pokud jste tak již neudělali, je nutno nastavit vhodný proud driverů krokových motorů. Poté si otevřete gravírovací software (já používám LightBurn ale lze požít i jiné například LaserGRBL) a zde si navrhněte co chcete gravírovat. Pak nastavte komunikační port, nasaďte si ochranné brýle, do gravírovacího prostoru dejte pro začátek třeba dřevo a zapněte všechny vypínače na řídící jednotce. Posledním krokem je už jen kliknutí na tlačítko spustit a můžete sledovat, jak gravírka vypaluje.

Budoucí verze

Jelikož je toto pouze první verze gravírky, do budoucna plánuji její další verze, kde bych chtěl upravit její konstrukci a zvýšit její univerzálnost. Také chci upravit gravírovací hlavu a kabeláž, která není řešena pomocí energetických řetězů. Vhodné by bylo i provedení bez koncových snímačů a detekci koncových poloh provádět, například z nárůstu proudu v driverech.

Závěr práce

Gravírku jsem vytvářel samostatně pro firmu Alarex Group s.r.o. v rámci své dlouhodobé maturitní práce. Budu rád za jakoukoli zpětnou vazbu, a i případné remixy a návrhy na úpravy. Případně pomůžu při řešení problémů.

Odkazy

Marlin   https://marlinfw.org

LightBurn   https://lightburnsoftware.com

LaserGRBL   https://lasergrbl.com

Printrun   https://pronterface.com

Konfigurace Marlinu   https://all3dp.com   https://marlinfw.org