Micro Découpeuse/Graveuse Laser

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Projet MicroDécoupeuse/Graveur Laser

Réalisé par Greg, Benj, Jérôme et F1SMF.


Microslice.jpg


But

Suivre et réaliser le projet "The MicroSlice | A tiny Arduino laser cutter" publié sur le site instructable par SilverJimny et voir éventuellement après l'aboutissement du projet à une version plus grande.

État du projet

On a un premier exemplaire qui fonctionne: découpe de papier et gravure bois, avec une puissance de 200 mW. Il manque encore le support pour le "levé de crayon" en rajoutant la commande d'allumage du laser (par relais dans l'immédiat).

Pour voir les applications, rendez-vous sur la page Applications.

Photos

Vidéos

Ingrédients

BOM

Description Fournisseurs Quantité Prix Unitaire Prix Total Frais de Port Liens
plaque medium 3mm 55x60mm Entrepot du Bricolage 1 6,90 €/M 2,28 € 0 N/A
Aimants Ebay 9 2,47 € pour 100 0,23 € 0 Ebay
Arduino R3 Ebay 1 9,25 € 9,25 € 1,465 € Ebay
Diode Laser ? 1 ?? € ?? € ?? € Liens
Logement + lentille Ebay 1 2,84 € 2,84 € 0 € Ebay
Relais Dual 5V Ebay 1 3,49 € 3,49 € 0 € DealExtreme
Moteur Pas à Pas en X + vis sans fin + chariot Ebay 1 7,55 € 7,55 € 0 € Ebay
Moteur Pas à Pas en Y + vis sans fin + chariot Ebay 1 4,01 € 4,01 € 0 € Ebay
Stub Acier dia. 3mm longueur 150mm(x2) et 100mm(x1) Ebay 1 2,08 € 2,08 € 0 € Ebay
Entretoises M3 (livrées avec l'arduino) N/A N/A N/A N/A N/A N/A
Vis fraisée M2 6mm Bricovis 6 0,018 € 0,108 € 0 € Bricovis
Ecrou M2 Bricovis 6 0,010 € 0,060 € 0 € Bricovis
Vis 6 Pan M2 6mm Bricovis 6 0,089 € 0,534 € 0 € Bricovis
Vis 6 Pan M2 8mm Bricovis 8 0,067 € 0,536 € 0 € Bricovis
Entretoise M3 50mm Bricovis 4 1,308 € 5,232 € 0 € Bricovis
Vis 6 Pan M3 8mm Bricovis 7 0,079 € 0,553 € 0 € Bricovis
Tige filetée M3 acier Bricovis 1 0,504 € 0,504 € 1,70 € (frais de port global pour bricovis divisés par 3) Bricovis
Entretoise Nylon M3 3mm (à faire soit même ou récup) N/A N/A N/A N/A N/A N/A
Découpe Laser des 97 pièces CCSTI 1h 5 € 5 € 0 € Bricovis
Driver Laser
Condensateur 10microF / 16Volt OM Elect 1 0,3 € 0,3 € 0 € OM Elect
Diode 1N4001 OM Elect 1 0,2 € 0,2 € 0 € OM Elect
Résistance 10ohms OM Elect 2 0,1 € 0,2 € 0 € OM Elect
Résistance variable 100ohms OM Elect 1 0,5 € 0,5 € 0 € OM Elect
Régulateur LM317 OM Elect 1 1 € 1 € 0 € OM Elect
Carte à pastille 100*80mm OM Elect 1 4,75 € 4,75 € 0 € OM Elect
Dissipateur LM317 OM Elect 1 0,5 € 0,5 € 0 € OM Elect
Pilotage moteur
Condensateur 1microF OM Elect 1 0,75 € 0,75 € 0 € OM Elect
Condensateur 1nanoF OM Elect 1 0,5 € 0,5 € 0 € OM Elect
Condensateur 47microF polarisé OM Elect 1 0,61 € 0,61 € 0 € OM Elect
LM7805 5V OM Elect 1 1 € 1 € 0 € OM Elect
Dissipateur LM7805 OM Elect 1 0,5 € 0,5 € 0 € OM Elect
Pololu A4988 Ebay 2 3,29 € 6,58 € 0 € Ebay
83,392 € 3,165 € (frais de port arduino + Bricovis) Total
Alimentation 12V 2A 5.5mm/2.1mm centre positif Ebay 1 9,55 € 1,40 € 0 € Ebay

Note: les composants barrés dans la partie "Pilotage moteur" correspondent à un régulateur qui est en réalité inutile.

  • Supplément de 2.55 € pour Greg (carte à pastille de 100*160 : 7.30€)

Matériel nécessaire

Partie Laser

Année Vitesse graveur DVD Puissance Laser
2002-2003 4x 100 mW
2003-2004 8x 140 mW
2004-2005 12x 200 mW
2004-2005 16x 250 mW
2005-2008 16x (DL) 300 mW
2008-actuel 24x (DL) 400 mW
    • Laser Bleu :
    • Laser Infra-Rouge : (nettement moins pratique et potentiellement plus dangereux du coup)
  • Logement + lentille acrylique, sur ebay: Logement 5.6mm TO18
  • Lentille optique? (pour remplacer l'acrylique)
  • Circuit de régulation :
    • LM317
    • Dissipateur pour le LM317
    • 2 résistances 10 Ohms
    • 1 résistance variable 100 Ohms
    • Diode 1N4001
    • Condensateur polarisé 10 uF - 16 V
    • Carte à pastille
    • Fils pour la connection électrique (deux paires)

Partie Commande

Partie Moteurs

  • 2 moteurs pas à pas B-04E montés sur vis sans fin avec chariot - ebay
  • 2 cartes Pololu A4988
  • Montage Régulateur 5V LDO (à vérifier)
    • LM7805
    • Dissipateur LM7805
    • Condensateur 1 uF
    • Condensateur 1 nF
    • Condensateur polarisé 47 uF
    • Carte à pastille

Visserie

Chassis de base

  • 4 pieds avec éventuellement des rondelles (trouvé en magasin de bricolage)
  • 4 écrous bloquants
  • Tige filetée diamètre 3 mm
  • 4 entretoises M3 femelle-femelle longueur 50 mm
  • 4 vis M3 6 pans longueur 8 mm

Fixation et support moteurs

  • 2 axes acier diamètre 3 mm longueur 150 mm - ebay
  • 1 axe acier diamètre 3 mm longueur 100 mm (voir point précédent)
  • Vis + écrous diamètre 2 mm (à compléter)

Fixation électronique

  • Vis et écrous M3 pour Arduino (3 paires, le quatrième trou de l'Arduino Uno n'est pas utilisable)
  • Rondelles Nylon M3 (pour fixation Arduino entre autres)
  • À compléter

Autres

  • À compléter

Divers

  • 9 Aimants pour le nid d'abeille - ebay
  • Ventilateur 12 V - 45x45x10 mm (récupérable sur PC)
  • À compléter

Pièces réalisées en découpe laser

Pour réaliser ce projet nous avons utilisé du medium de 3mm et nous l'avons découpé avec la découpeuse laser du FabLab, prévoir 50 min de gravure/découpe.

Remarques et adaptations

Pont inférieur

Les quatre coins du pont sont construits autour de tiges filetées, dans lesquelles sont insérées des pièces circulaires. Contrairement à ce qui est dit dans l'explication de montage d'origine, il y a seulement trois types de pièces (et pas quatre) :

DecoupeuseTypes.png

  • Le type A correspond aux pièces qui coulissent directement dans les tiges (diamètre 3 mm),
  • Le type B correspond à des pièces qui servent à serrer/fixer l'ensemble. Dans le design d'origine, ces pièces sont destinées à recevoir des inserts microbarb. Nous avons décidé de remplacer ces inserts par des écrous M3 simples. Dans le cas des pièces de type B, il suffit d'élargir légèrement le trou original, puis de forcer l'insertion de l'écrou dans la pièce (par exemple avec un étau):

Decoupeuse1.jpg Decoupeuse2.jpg

  • Le type C n'est à mon avis pas utile et serait avantageusement remplacé par des pièces type A: le trou plus grand semble destiné à l'origine à recevoir des entretoises M3, mais en réalité dans notre adaptation, les entretoisent servent (comme les pièces B) à verrouiller le coin.

Le même problème se pose au niveau de la pièce du fond, qui contient un trou trop large. Le "patch" consiste à garder la pièce circulaire correspondant au trou et à percer dedans un trou de 3 mm à la Dremel.

Decoupeuse5.jpg

Pour fixer le pied et le tige fileté, nous utilisons des écrous bloquants.

L'enchaînement des pièces pour chaque coin est le suivant (de bas en haut):

  • Écrou bloquant
  • Rondelle (du pied)
  • Pied
  • Pièce du fond (avec la pièce correspondant au trou)
  • 1 Pièce B
  • 1 Pièce C (par exemple)
  • 5 Pièces A
  • Pièce intermédiaire (ouverte côté USB Arduino)
  • 1 Pièce B
  • 2 Pièces A
  • Pièce supérieur
  • 1 Pièce A
  • Entretoise M3

Il y a donc 14 pièces de bois d'épaisseur 3 mm (42 mm au total). La tige fileté doit être de longueur suffisante pour accommoder en plus l'écrou bloquant, le pied et le pas de vis de l'entroise M3.

Decoupeuse6.jpg

Pont supérieur et chariot

Pas de remarques particulières, la dernière version du design accommode correctement les emplacements de vis pour le moteur.

Decoupeuse7.jpg

Support Nid d'abeille

Decoupeuse8.jpg

La difficulté de montage du nid d'abeille est de recouvrir la partie supérieure d'une couche d'aluminium. Techniques possibles:

  • (essayé, pas efficace): Coller une feuille de papier d'aluminium puis percer les alvéoles en utilisant les chutes des trous d'alvéoles comme poinçons.
  • (essayé, relativement efficace): Coller une feuille de papier d'aluminium, découper délicatement les trous d'alvéoles avec un cutter

Autres solutions (pas essayées):

  • Peinture avec une bombe de peinture aluminium (type "tuyau de poêle" ou vendue en magasin automobile).

Laser

Decoupeuse3.jpg Decoupeuse10.jpg

  • Le laser utilisé dans un premier temps est une diode laser Rouge type graveur DVD de puissance ~200 mW, alimentée en continu (CW).
  • À terme, nous pensons utiliser une diode de Blu-ray, permettant d'atteindre 1W de puissance.

Régulation

  • Le circuit de pilotage est fait sur une plaque à trou, autour d'un LM317 (source):

LM317 regu laser.jpg

Decoupeuse11.jpg Decoupeuse12.jpg

Modification: remplacer les deux résistances 10 Ohms par 4 résistances 10 Ohms (de façon à atteindre 400 mA). Bien vérifier la valeur du potentiomètre: le potentiomètre présent sur la photo avait une résistance trop grande même en position minimale.

Polarité

Quelques remarques utiles:

  • Ne pas se fier au schéma du circuit de régulation pour le brochage de la diode (pas clair, lisible à l'envers avec la perspective). Pour les diodes à trois électrodes, il y a au moins trois situations possibles en fonction des diodes :

Laser diode polarity.png

  • (1): Rouge visible (la plupart du temps), Bleu (pour certaines diodes)
  • (2): Infrarouge (la plupart du temps)
  • (3): Bleu (pour certaines diodes)
  • D'autres diodes sont capables de générer les trois longueurs d'onde (rouge, IR, bleu) et présentent donc un brochage plus compliqué (permettant de piloter chacune des diodes intégrées).
  • Les broches "Not used" correspondent en général à une photodiode de feedback (qui peut-être utilisée avec des circuits de régulation plus perfectionnés).

Précautions de manipulations

  • Les diodes Laser sont très sensibles aux ESD (décharges électrostatiques), à manipuler après décharge des doigts à la terre, ou mieux avec un bracelet anti-statique.
  • Les diodes Laser n'aiment pas beaucoup les ruptures peu franches de courant : éviter les montages à fils volants peu stables
  • Pour mesurer l'intensité et la tension produites par le circuit de régulation, il est préférable de remplacer la diode par une cascade de diode simulant la chute de tension. La mesure en direct implique d'insérer l'ampèremètre et donc de faire un montage hasardeux en termes de stabilité des connection.
  • Il est par contre possible de commuter le laser si cela se fait en amont du circuit de régulation (ce que fait la micro-découpeuse d'ailleurs).

Alimentation

Afin de régler/dimensionner les circuits de régulation, il convient de connaître les ordres de grandeur des courants d'alimentation.

La tension d'alimentation doit être supérieure à 7V, l'excédent est dissipé dans le radiateur du LM317 (ce qui est le cas en tension 12V). La circuit de charge suivant permet de remplacer la diode laser pour régler l'intensité correctement sans endommager la diode (branchements hasardeux avec le multimètre, ESD, intensité hors plage normale). La tension mesurée au borne de la résistance 1 Ohm est égale à l'intensité qui circulerait dans la diode.

Laser test load.jpg

ML101U20

La courbe suivante, produite par des amateurs ayant un banc de mesure, donne une intensité de 300 mA pour fonctionner à la puissance nominale en continu (200 mW):

ML101U29-current-power.png

Vis à vis du circuit de charge, prendre la configuration pour diodes "SenKat" qui fonctionne très bien.

Protection des yeux

  • Les diodes laser utilisées sont de Classe 3B, c'est à dire que le réflexe palpébral (fermeture de la paupière) n'est pas suffisant pour protéger l'œil en cas d'exposition directe au faisceau.
  • Après calcul, étant donné les puissances utilisées, des lunettes de densité optique 4 (OD4) sont recommandées pour les manipulations.

Logiciel de calcul: Easy Haz

Valeurs retenues:

  • Laser Rouge: 660 nm, 300 mW Continuous, 400 mW pulse
  • Laser Bleu: 445 nm, 2W Continuous

Exemples de lunettes:

Voir la commande groupée en cours: ici

Logement

  • La diode est montée dans un logement contenant le lentille de focalisation et servant de radiateur pour évacuer la chaleur générée.
  • Le logement est enserré dans un montage de pièces en bois. Dans la version actuelle mise à disposition sur cette page, les pièces circulaires ont été adaptées pour le diamètre du logement que nous utilisons, cependant, la taille des pattes correspondants aux trous d'insertions rectangulaires dans la pièce maitresse n'est pas la bonne: il faut rogner à la lime les trois pièces circulaires...

Liens utiles

Pilotage moteur

Nous utilisons des cartes Pololu à la place des Easy Drivers d'origine.

Circuit de régulation (LDO)

Il n'y a en fait pas besoin de circuit de régulation vu la puissance des moteurs utilisés.

Principe de base de connection des drivers moteurs

Pololu-connection2.png

Carte moteur

Decoupeuse-carte-moteurv1-recto.jpg Decoupeuse-carte-moteurv1-verso.jpg

Remarque: il manque des condensateurs de découplage sur VMOT/GND (à tester ultérieurement).

La carte moteur a aussi pour vocation à "distribuer" les tensions un peu partout (car il n'y a qu'une seule broche VIN et deux GND sur la carte Arduino).

Chaque pollolu est configuré en 8e de pas (MS1 = 1, MS2 = 1, MS3 = 0). Il n'y a pas besoin de rappels pour les broches au repos (MS3 = 0, nEN = 0).

L'alimentation se fait par la partie inférieur (trois broches au milieu). À droite, les connections pour des interrupteurs fin de course: une barre à la masse, et deux barres qui sont respectivement reliées à fin de course X et fin de course Y de l'arduino. La partie supérieure contient deux broches de repiquages, commandées par un interrupteur, pour alimenter le laser.