Découpeuse Laser DIY

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Projet de découpeuse laser

Introduction

Fertito ayant mis à disposition du LOG un tube laser et un bout de mécanique, il serait bon de mettre tout ça en service pour en faire une découpeuse laser pleinement fonctionnelle, fiable et sécurisée (on ne déconne pas avec un laser !), pendant qu'on a accès à toutes les machines du FabLAB.

Étant donné l'usage intensif que nous faisons de la laser du FabLAB le jeudi soir, il va falloir faire quelque chose de qualité si on ne veut pas que ça tombe en panne trop souvent. Mieux vaut donc prendre un peu de temps pour la reflexion, et viser une machine de qualité, quitte à investir un peu (le LOG pourrait-il consacrer un peu de son maigre budget ?)

La première étape consiste donc à définir un cahier des charges assez précis.

À faire / À acheter

  • Châssis
    • fixer correctement le capot.
    • fermer les parties fixe constituant le dessus du châssis.
  • Axe X/Y
    • glissières cylindriques (diam. 16 ?) + douilles (déjà dispos) : Les glissières sont impec et pourront être utilisée telles quel.
    • les courroies sont un peu fatiguées et devront être remplacées. L'ideal serait une courroie ayant un pas de 2.5 mm une larguer de 10 mm et une longueur de 2m.
    • les poulies devraient être remplacées par des poulies plus petites afin de gagner en précision.
    • les poulies devront être remplacées par des poulies de la même largeur que les courroies afin d'eviter qu'elle ne bouge.
    • il faut imprimer des systèmes permettant de tendre et de fixer les courroies aux chariots mobiles.
  • Axe Z
    • étude des différentes solutions
  • Laser
    • alignement optique
    • isoler le laser et les parties electriques/electroniques.
    • Refroidissement
      • fuites ?
  • Alimentation
    • Embase extérieure
    • Marche/Arrêt
  • Electronique
    • Le soft est déjà installé sur la teensy et celle-ci est aussi déjà câblée.
    • Il faut vérifier qu'elle pilote toujours les moteurs comme il faut.
    • Il faut aussi updater le soft afin que celle-ci coupe le laser selon les critères de sécurité que nous avons évoqué plus haut.
  • Ventilation/Extraction des fumées
  • Sécurité
    • Capteur ouverture du capot.
    • Bouton d'arret d'urgence coup de poing en facade.
    • Équipements de sécurité
  • Documentation Utilisation/Entretien

Fonctionnement

Théorie

D'après wikipedia :

La focalisation d'un rayon laser permet de chauffer jusqu'à vaporisation une zone réduite de matière.
[...]
Ce procédé permet une découpe précise, nette et rapide de nombreux matériaux.
[...]
La découpe s'effectue sur des plaques de matière ce qui donne généralement des objets plat une fois découpés.

détailler un peu

Le laser peut soit couper, soit simplement graver. Ces deux opération ne se font pas de la même manière. Pour la coupe, le faisceau se déplace suivant le trait de coupe, alors que pour la gravure, on a une rasterisation, et un balayage ligne par ligne un peu à la manière d'une imprimante jet d'encre. Les deux opérations nécessitent donc des approches différentes.

Dans le cadre de ce projet, la puissance en jeu sera de quelques dizaines de Watt, donc cela limite la découpe au bois ou plastique de quelques mm d'épaisseur (< 5mm).

Dans la pratique

Il faut donc :

  • un laser
  • une mécanique permettant de focaliser et déplacer ce laser
  • une électronique et un logiciel de pilotage

Laser

type ?

Mécanique

Il n'est bien entendu pas question de déplacer l'ensemble du laser ; au lieu de cela, on réfléchit le faisceau sur des petits mirroirs, et ce sont ces mirroirs qui se déplaceront avec les axes X et Y pour guider le rayon jusqu'à l'optique de focalisation. Les mirroirs renvoient donc le faisceau horizontalement jusqu'au chariot final, puis un dernier mirroir renvoi le faisceau verticalement en direction de la lentille et du matériau à couper/graver.

faire schéma de principe

Électronique et logiciel

L'électronique se contente de faire bouger les moteurs X/Y (éventuellement Z pour le réglage de la focalisation). Rien de bien compliqué.

Généralement, on passe par un interpréteur de G-Code, exactement comme sur les imprimantes 3D. Comme pour elles, cet interpréteur peut être soit embarqué dans l'électronique, soit sur le PC (EMC2).

En entrée, on fournit un fichier vectoriel ou les traits fins seront inteprétés commes des traits de coupe, et les traits plus épais comme des traits/zones de gravure.

Sécurité

Un mot sur la sécurité.

Un laser, pour découper du bois ou du plastique, nécessite une certaine puissance. En gros, quelques dizaines de Watt. C'est plus qu'il n'en faut pour détruire la rétine de nos yeux ! La solution la plus simple et la plus efficace pour se protéger est d'enfermer la machine dans une enceinte totalement opaque, et d'asservir l'alimentation du laser à un contact d'ouverture. Il faut un système qui ne puisse pas être by-passé facilement, et, surtout, qui fonctionne bien, pour qu'on n'ait pas envie de le by-passer ! Prévoir également un bouton coup de poing arrêt d'urgence.

D'autre part, lors de la découpe, plein de produits gazeux plus ou moins nocifs sont générés. Une ventilation et une filtration efficace sont indispensables. Ce sera sans doute le point le plus contraignant à mettre en oeuvre. Certain matériaux ne peuvent d'ailleurs pas être coupé/gravé du fait de dégagement de produits très toxiques ou corrosifs. C'est le cas par exemple des matériaux contenant du chlore, qui peuvent alors produire de l'acide chlorydrique.

Enfin, le risque incendie est loin d'être négligeable !

Cahier des charges

Les points suivants vont conditionner pas mal de choses d'un point de vue mécanique/électronique, et doivent être définis avant de commencer :

  • résolution :
    • -> rigidité du bâti
  • vitesse maxi de découpe :
    • -> rigidité du bâti
    • -> taille des moteurs (NEMA 17 ou 23)
  • axe Z motorisé ou manuel :
    • un axe Z motorisé complexifie la mécanique -> le plateau doit rester parfaitement plan
  • hauteur axe Z :
    • gravure sur objets ?
  • débrayage manuel :
    • nécessité ou non d'avoir des codeurs
  • taille de découpe :
    • les barres actuelles font 800mm de long sur X et Y
    • voir en fonction des tailles standard des matériaux

Points à cogiter et reflexions diverses

En vrac :

  • contacts :
    • fin de course
    • prise d'origine
  • webcam :
    • durée de vie ?
  • pompe de refroidissement laser :
    • fuites potentielles
  • Électronique :
  • transportabilité :
    • machine de table avec pieds démontables
    • mise à niveau aisée
    • mise en service rapide (connectique)
  • capotage :
    • totalement opaque
    • doublé avec matériau non inflammable à l'intérieur
  • détection incendie :
    • capteur de chaleur
  • ventilation :
    • extracteur et filtration
    • soufflage poussières
  • arrêt d'urgence :
    • coup de poing
  • optique :
    • utilisation d'une fibre optique. Cf discussion sur ElectroLAB

Le projet sur reprap.org est le plus proche du notre, étant donnée le matériel dont nous disposons déjà (glissières cylindriques et douilles à billes). Nous pouvons facilement imprimer les pièces, mais beaucoup semblent vraiment trop fragiles, et devrons être revues.

Les photos du projet Lasersaur sont très intéressantes, et donnes de bonnes idées pour la structure.

Mécanique

La découpeuse de Fertito fut fonctionnelle il y a qq années de cela mais elle nécessite un bon rafraîchissement ainsi que d’être un peu fiabilisé afin de pouvoir être utilisée au LOG.

Châssis

Status

Le chassis est constitué de profilés alu. Il est fermé sur les cotés et en dessous par des plaques d'alu.

A faire

  • fixer correctement le capot.
  • fermer les parties fixe constituant le dessus du chassis.
  • Isoler le laser et les parties electriques/electroniques.
  • Inserer un capteur pour detecter l'ouverture du capot.
  • Mettre un bouton d'arret d'urgence coup de poing en facade.

Axes X/Y

Présentation

Le laser est fixe est ce sont des miroirs que l'on déplace afin de déplacer le spot laser qui sert a la découpe. Un premier miroir fixe dévie le rayon a 45° horizontalement jusqu'au second miroir qui est mobile le long de l'axe Y et qui permet de dévier le spot de 45° a nouveau dans la direction de l'axe X. Un troisième miroir mobile le long de l'axe X dévie le rayon verticalement en direction du point de découpe.

Status

Toute la partie mécanique permettant de déplacer le spot sur les axes X/Y est déjà présente, nottament les glissières, les moteurs, les courroies et les poulies.

le gros du travail consiste a remplacer les poulies par des plus petites pour gagner en précision ainsi que de remplacer les systèmes d'attache et de tension des courroies.

A faire

  • glissières cylindriques (diam. 16 ?) + douilles (déjà dispos) : Les glissières sont impec et pourront être utilisée telles quel.
    • Les courroies sont un peu fatiguées et devront être remplacées. L'ideal serait une courroies ayant un pas de 2.5 mm une larguer de 10 mm et une longueur de 2m.
    • Les poulies devraient être remplacées par des poulies plus petites afin de gagner en precision.
    • Les poulies devront être remplacées par des poulies de la même largeur que les courroies afin d'eviter qu'elle ne bouge.
    • Il faut imprimer des système permettant de tendre et de fixer les courroies au chariots mobiles.

En cours

  • Axe des X :
    • Le moteur a été déplacé de quelques centimètres suite au remplacement de la grosse poulie par une plus petite.
    • Un premier support de fixation de la courroie au chariot mobile a été imprimé mais n'est pas optimum -> un nouveau support est en cours de design
    • Le bloc de renvoi de la courroie est egalement en cours de design
  • Axe des Y :
    • Les courroies ont été déposées de facon a mettre en place les nouvelles poulies et courroies.
    • Mecaniquement parlant, il semble judicieux de déplacer le moteur sur la face avant de la machine de facon a ce qu'il entraine en direct la tige filetée sur laquelle sont fixés les poulies.

Axe Z

L'axe Z sert principalement à régler la focalisation du laser en fonction de l'épaisseur du matériau à couper/graver. Le but est de récupérer le maximum d'énergie sur le point d'impact. Pour cela, on règle la distance entre la lentille verticale et le matériau à couper/graver.

Cela peut se faire soit par déplacement de la table, ce qui n'est pas trivial pour conserver la précision nécessaire sur toute la surface, soit par déplacement de la lentille. Cette dernière solution est sans doute plus facile à mettre en oeuvre, surtout si on veut motoriser cet axe.

Support optiques

Un réglage précis des miroir et de la lentille est indispensable. Il existe des support dans le commerce permettant d'obtenir quelque chose de qualité. À voir selon le coût. Une alternative est d'imprimer ces supports sur une imprimante 3D.

Dans tous les cas, il faudra des pièces imprimées (cf 3D-Printable Laser Cutter) pour lier le tout aux mouvements X/Y/Z et au chassis.

Afin de contrôler précisément la direction dans laquelle le laser est dévié on utilise des pièces imprimées qui permettent d’ajuster l'angle.


Support laser

Bois à éviter.

Électronique

Une carte teensy fournie par fertito gère tout le contrôle de la découpeuse, celle-ci est alimentée par une alimentation atx de PC qui lui fournit du 5 et du 12 V.

Pilotage tube laser

Le laser est alimenté par une alimentation dédiée haute tension que fertito nous donnera une fois que le projet sera suffisamment securisé. Le laser est piloté par la teensy.

Sécurité

L'alimentation du laser ne peut être mise en route que si toutes les conditions suivantes sont vérifiées :

  • extraction en marche + air comprimé (détection fumée)
  • capot fermé
  • refroidissement opérationnel (circulation d'eau + température OK)
  • absence de vibrations, machine de niveau
  • température de la chambre OK (détection incendie)
  • arrêt d'urgence non activé

Dès lors qu'une de ces conditions n'est plus vraie, l'alimentation du laser doit être coupée instantanément, et une vérification de l'extinction du laser doit être faite. Suivant les cas, les moteurs X/Y peuvent ou non continuer à fonctionner.

La securité sera géré par le soft embarqué sur la teensy.

Moteurs X/Y

Deux moteurs type Nema ??? permettent la mise en mouvement des charriots.

Ils sont drivé par la teensy.

Fin de course

Les capteurs de fin de courses seront gérés par la teensy.

Securité

Les capteurs d'ouverture de capot et coup de poing sont aussi gérés par la teensy.

A faire

Le soft est déjà installé sur la teensy et celle-ci est aussi déjà câblée. Il faut vérifier qu'elle pilote toujours les moteurs comme il faut. Il faut aussi updater le soft afin que celle-ci coupe le laser selon les critères de sécurité que nous avons évoqué plus haut.

État actuel

Juin 2015

On the road again !

6 septembre 2012

Démontage...

30 août 2012

La machine n'a pas été modifiée depuis que fertito l'a ammenée au LOG. Cf photos :

Inspiration

EPILOG du FabLab

Participants

Liste des personnes qui souhaitent participer activement au projet :

Approvisionnement de matériel

Liens

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