TAKE detail cedule

Světelná cedule „TAKE“

Další spolupráce s Patrikem Polákem začala obvyklým dotazem zda bych něco neuměl vyrobit... Tentokrát se jednalo o svítící nápis pro TAKE - production, který by v připravovaných podcastech svítil ve videích třeba uprostřed stolu.

Každý nový projekt začíná nápadem, který se dál rozvíjí.

Za začátku jsme probrali snad všechny možnosti od neonů přes gravírování do akrylátové desky, 3D tisk, odlití nápisu z pryskyřice či betonu až po variantu frézovanou ze dřeva. Nakonec jsem navrhl zkusit něco úplně "nového". Kombinaci dřeva, akrylátového plexiskla a tvrdé pěnové desky.

Před realizací nápadu je nezbytný design výsledného produktu.

Návrh konstrukce

Myšlenka byla vytvořit rám ze dřeva, na kterém by byl samotný nápis vyřezaný laserem do plastové desky z tvrdé pěny. Za nápisem by se nacházelo oranžové akrylátové plexisklo, které zajistí požadovanou barvu světla a zároveň poslouží jako nosný prvek nápisu, který má kolem celého svého obvodu rámeček.

Pro realizaci projektu je třeba naplánovat technologie výroby nového produktu.

Celou ceduli jsme se rozhodl slepit bez použití hřebíků a vrutů. Jediné místo, kde jsou použity vruty je zadní kryt, aby bylo možné ho v případě potřeby servisu odšroubovat. Na dřevěný rám jsem použil lepidlo na dřevo 64A SOUDAL, které používám na lepení prakticky všech výrobků ze dřeva. Ostatní díly jsem lepil pomocí lepidla VEIDEC S-BOND 174.

Finální fází projektu je jeho fyzická realizace.

Rám cedule

V místech uchycení zadního krytu jsem k rámu ještě přilepil hranoly 10*10 mm, do kterých jsou vruty zašroubovány. V rozích rámu také hranoly zvyšují jeho pevnost.

Nápis TAKE

Jak už jsem napsal, rozhodl jsem se nápis do plastové desky vyřezat LUFREE laserem. V případě řezání plastu laserem je nutné opravdu dobré odvětrávání. Plastovou desku bylo nutné na pár místech doříznou nožem. Před nalepením nápisu jsem akrylátové plexisklo ještě přebrousil jemným smirkovým papírem, aby propouštělo světlo, ale nebylo skrz něj vidět dovnitř cedule. Na nosné akrylátové plexisklo jsem pak vyřezaný nápis nalepil pomocí lepidla VEIDEC S-BOND 174. Celé plexisklo s nápisem je k dřevěnému rámu připevněno také tímto lepidlem.

Zadní kryt cedule

Aby světlo nezářilo mezi rámem a zadním krytem, nalepil jsem po obvodu ze zbytků plastu lem, díky kterému zadní kryt zapadne dovnitř rámu a žádné světlo tak neuniká. Zadní kryt jsem také pro větší odrazivost světla z LED pásků z vnitřní strany přestříkal bílou akrylovou barvou.

LED pásky

Aby nebyly vidět přes plexisklo jednotlivé LED, nalepil jsem LED pásky na přední nosné plexisklo tak, že směřují na zadní kryt, od kterého se světlo odráží a rozptyluje. Napájení je vyvedeno na konektor umístěný na zadním krytu, kam je možné připojit napájecí adaptér.

Hotový vzduchový filtr

Vzduchový filtr

Při gravírování nebo řezání laserem dochází logicky k uvolňování dýmu a výparů. Pokud jde o čisté dřevo, může to být pro někoho i docela příjemná vůně, nicméně například kůže, ač přírodní materiál, až tak pěkně nevoní. Nemluvě o umělých materiálech či syntetických površích. Tento problém řeší vzduchový filtr.

Na jakém principu by měl filtr fungovat?

Každý nový projekt začíná nápadem, který se dál rozvíjí.

Při rozvíjení nápadu pro sestrojení vzduchového filtru jsem uvažoval nad co nejjednodušší konstrukcí, nízkou cenou a vysokou efektivitou. Přestože výslednou efektivitu můžu ověřit pouze subjektivně "čicháním" ve vnitřní komoře laseru.

Filtrační materiál

Pro jednoduché a cenově výhodné zařízení jsem zvolil uhlíkový filtr používaný v kuchyňské digestoři. Pochopitelně jsou i profesionálnější a určitě efektivnější materiály, ale v ceně toto řešení nemá konkurenci.

Průtok vzduchu

Pro průtok vzduchu jsem se rozhodl použít 3 radiální ventilátory 5015 na 12 V s pořizovací cenou necelé 3 USD.

Návrh konstrukce

Před realizací nápadu je nezbytný design výsledného produktu.

Mechanické uspořádání jsem navrhl tak, že tři ventilátory jsou umístěny vedle sebe, na jedné straně přes uhlíkový filtr vzduch nasávají a bokem vyfukují zase ven. V původním návrhu jsem chtěl výstupní vzduch vést na druhou stranu komory LUFREE laseru, ovšem toto řešení mi nebylo doporučeno, protože při svedení vzduchu do užší hadičky údajně s vyšším výstupním tlakem dochází ke zmenšení průtoku vzduch ventilátory. Výstup je tedy volný přímo do prostoru.

3D model vzduchového filtru

Technologie výroby

Pro realizaci projektu je třeba naplánovat technologie výroby nového produktu.

Všechny mechanické prvky byly realizovány pomocí 3D tisku na mé tiskárně LUFREE 3D printer.

Konstrukce CNC laseru

Finální fází projektu je jeho fyzická realizace.

Pro všechny tisknuté díly jsem použil rubínově červené transparentní PET-G, výška vrstvy tisku nastavena na 0,3 mm při průměru trysky 0,4 mm.

GRBL upload to Arduino

GRBL firmware pro CNC frézu

Stejně jako u LUFREE laseru jsem do GRBL převodníku pro CNC frézu nahrál poslední verzi GRBL firmware, kterou lze stáhnout z GitHub. Jelikož mi oficiální postup pro nahrání nefungoval, uvedu zde kompletní postup, který v mém případě fungoval.

Nahrání firmware

  1. Z poslední verze GRBL zkopírujte pouze složku "grbl" (samozřejmě i s jejím obsahem) do adresáře: "...\Documents\Arduino\libraries".
  2. Následně spusťte Arduino IDE a otevřete projekt "...\Documents\Arduino\libraries\grbl\examples\grblUpload/grblUpload.ino"
  3. Vyberte správný port, vývojovou desku, případně procesor a můžete projekt bez problémů zkompilovat a nahrát.

Jako vývojovou desku zvolte "Arduino Nano" a procesor "ATmega328P" případně "ATmega328P (Old Bootloader)", podle toho jaký bootloader má vámi použité Arduino.

GRBL upload to Arduino

Hlášky "Mála dostupné paměti, můžou nastat problémy se stabilitou." se nemusíte bát. Kromě gramatické chybky na začátku hlášky jsem nezaznamenal žádné problémy.

Chybová hláška

Konfigurace firmware

Následně je nutné provést připojení ke kontroléru pomocí SW v PC. Já pro začátek zvolil "Grbl Controller 3.6.1". Po spuštění řídicího SW je třeba zvolit port, na který je kontrolér připojen a baud rate 115200, poté je možné se připojit. Program po připojení odešle "$$", což je příkaz pro vyčtení aktuálního nastavení z EEPROM. Před použitím kontroléru k řízení CNC je nutné provést nastavení dle stroje, který používáte. Podrobný popis jednotlivých parametrů naleznete opět na GitHub projektu. V mém případě se jednalo o změny v těchto parametrech:

  • $0=3 (Step pulse, microseconds)
  • $3=6 (Direction port invert, mask)
  • $30=11000 (Max spindle speed, RPM)
  • $100=400 (X steps/mm)
  • $101=400 (Y steps/mm)
  • $102=400 (Z steps/mm)
  • $110=2000 (X Max rate, mm/min)
  • $111=2000 (Y Max rate, mm/min)
  • $112=700 (Z Max rate, mm/min)
  • $120=200 (X Acceleration, mm/sec^2)
  • $121=200 (Y Acceleration, mm/sec^2)
  • $122=100 (Z Acceleration, mm/sec^2)

Tyto hodnoty se mohou dle konstrukce CNC lišit, proto je nutné je vždy vyčíst v manuálu ke konkrétnímu stroji, případně vyžádat u jeho výrobce. Po dokončení nastavení je vhodné si je ověřit pomocí příkazu "$$" a zkontrolovat, že uložení proběhlo v pořádku. Tyto parametry jsou uloženy v EEPROM, proto je není nutné zadávat při dalším zapnutí. Po ověření správnosti parametrů je možné začít CNC používat.

20W laser - koncový spínač Z

Upgrade na 20W laser

Výběr laserového modulu

Přibližně po měsíci používání s 2,5W laserovým modulem z mého původního upgrade 3D tiskárny, jsem se pustil do upgrade na výkonnější laserový modul. Při výběru modulu jsem postupoval podle návodu, který jsem publikoval dříve. Nejprve jsem si určil, že chci použít 20W laser. Nabídka je opět nepřeberná, ovšem důležité pro mě byly recenze jak na samotný produkt, tak i na jednotlivé prodejce. U většiny produktů jsem se dočetl, že 20 W není reálný výstupní optický výkon, ale jedná se o vstupní příkon. Proto jsem i finální tři "favority" oslovil s dotazem, co právě jimi udávaná hodnota znamená. Pouze jeden prodejce mi odpověděl, že jde o výstupní optický výkon, a proto jsem tento modul objednal. Ale pozor! Při následném měření jsem zjistil, že stejně jako u všech ostatních se jedná o příkon, tedy tato informace byla mylná. Bohužel jsem došel k závěru, že toto bude pravděpodobně maximální výkon, se kterým lze polovodičový laser na AliExpress objednat.

Mechanické konstrukce

20W laserový modul má větší rozměr, než původní 2,5W. Bylo proto třeba mírně upravit mechanické díly. Naštěstí tyto úpravy nebyly příliš zásadní, proto bylo možné vycházet z původních návrhů mechaniky osy Z.

Napájení laserového modulu

Jak jsem uvedl již v článku o konstrukci LUFREE laseru, propojení pohyblivých částí je realizováno pomocí pružných plochých kabelů, které jsem propojil s elektronikou kabely přes univerzální DPS s konektory. Tyto ploché kabely ovšem nejsou schopné napájet laserový modul s téměř desetinásobným příkonem. Zvolil jsem proto přidání dalšího plochého kabelu, který je ovšem určen výhradně pro napájení laserového modulu a to tak, že šest vodičů je paralelně spojeno jako +12 V a zbylých šest vodičů GND. I přesto dochází na kabelu k menšímu úbytku napětí a přestože to na výstupní výkon laseru nemá znatelný vliv, do budoucna plánuji vedení ještě posílit.

Kabely jsem také opatřil plastovým ochranným opletem, díky čemuž lépe drží tvar.

Koncové spínače

Ačkoliv jsem zpočátku nepočítal s koncovými spínači, při úpravě mechaniky osy Z jsem se ji rozhodl spínačem osadit, především pro větší komfort při automatickém nastavení fokusu. Bohužel jsem v rychlosti nenašel ve firmware způsob, jak "homeovat" pouze jednu osu, proto jsem koncové spínače přidal i na osy X a Y.

LUFREE laser - laserové gravírovací a řezací CNC

LUFREE laser

Před nějakou dobou se mi naskytla možnost získat "odpadní" hliníkové profily 30*30 mm. Když jsem přemýšlel, co by se z nich dalo sestrojit, docela rychle mě napadlo vyrobit samostatný CNC laser, který by nahradil můj původní, který byl součástí upgrade mé první 3D tiskárny. Původní CNC laser byl založen na principu výměny tiskové hlavy 3D tiskárny za laser. To přináší ovšem několik úskalí. V prvé řadě je to nutnost mechanické výměny součásti tiskárny a následné kalibrace při vrácení tiskové hlavy. Druhé bylo potom omezení pracovní plochy stroje.

Zevrubný návrh CNC laseru

Každý nový projekt začíná nápadem, který se dál rozvíjí.

Přibližný rozměr celého stroje byl dán profily, které jsem měl k dispozici. První částí byl rám o rozměrech 480*800 mm. Z toho bylo nutné vycházet. Než jsem ale přistoupil k designu konstrukce, snažil jsem se zjistit, zda bude tento rozměr vyhovující nebo bude potřeba profily zmenšit. To se dalo zjistit jediným způsobem a to návštěvou stavebnin, protože stejně jako u předchozího CNC laseru jsem jako podložku pod opracovávaný materiál zvolil klasické obkládací dlaždice. Nakonec se mi podařilo sehnat 3 ks dlaždic o rozměru 400*250 mm, celkovou plochu podložky jsem tedy naplánoval na 400*750 mm. Aby dlaždice zapadly do drážek profilů, bylo nutné zmenšit kratší stranu o 30 mm, výsledný rám má tedy rozměr 450*800 mm (uvnitř rámu volný prostor 390*740 mm). Dále jsem měl k dispozici lineární ložiska MGH12 o délce 400 mm, což bylo ideální pro posun v ose Y.

Hliníkové profily 30x30 mm
Hliníkové profily 30x30 mm
Základní konstrukce laseru

Detailní návrh jednotlivých částí

Před realizací nápadu je nezbytný design výsledného produktu.

Před samotnou výrobou CNC laseru bylo nutné podrobně naplánovat mechanické uspořádání. To s skládá ze dvou částí:

  1. Mechanické uspořádání zakrytování stroje a víka.
  2. Mechanické uspořádání mechanismu posuvů v osách X, Y a Z (bude vysvětleno později).

Rozhodl jsem se pro zakrytování pomocí masivního dřeva, přesněji smrkové spárovky o tloušťce 18 mm a víka z červeného plexiskla volně připevněného (bez rámu) na čtyřech pantech. Díky tomuto bylo jasné, že veškerý mechanismus všech posuvů musí být uvnitř tohoto boxu. Výšku jsem určil vzhledem k použitím profilům na 250 mm.

Vrátím se nyní k mechanice posuvu osy Z. Tu jsem zvolil elektronickou z důvodu většího komfortu při nastavování správného fokusu laseru na opracovávaném materiálu.

Vzhledem k velkým rozměrům stroje jsem nedělal kompletní 3D model designu, ale pouze na menší ploše "načrtl" mechanické uspořádání, abych se ujistil, že do sebe vše zapadne. Poté jsem již jednotlivé díly modeloval samostatně. Po složení základní konstrukce jsem ještě některé díly mírně upravil a navrhl další komponenty, jako třeba držáky kabelů a elektroniky a rohy pro připevnění dřevěného rámu na hliníkovou konstrukci.

Pro pohyb v ose X jsem využil hliníkový profil 20*20 mm o délce 750 mm a "V-slot ložisko" (bohužel neznám český název) a řemen GT2, v ose Y jsem použil lineární ložiska MGH12 a řemen GT2, pro osu Z ocelovou tyč o průměru 4 mm s lineárními ložisky a závitovou tyč T5 se stoupáním 1 mm.

Technologie výroby

Pro realizaci projektu je třeba naplánovat technologie výroby nového produktu.

Mechanické díly

Všechny základní konstrukční prvky jako hliníkové profily, ložiska a spojovací materiál byly zakoupeny od různých dodavatelů z ČR a Číny. Další mechanické prvky byly realizovány pomocí 3D tisku na mé tiskárně LUFREE 3D printer.

Elektronika

Pro řídicí elektroniku jsem zvolil čínského výrobce Makerbase.

Drivery motorů jsem ponechal A4988. Motory jsou použity standardní Nema42 (17HS4401). Pro osu Z nižší verzi krokového motoru (17HS2408).

Pro napájení elektroniky jsem zvolil 12V/5A adaptér. Na CNC laseru se nachází také hlavní vypínač s indikací zapnutí.

Propojení pohyblivých částí je realizováno pomocí pružných plochých kabelů, které jsem propojil s elektronikou kabely přes univerzální DPS s konektory.

Konstrukce CNC laseru

Finální fází projektu je jeho fyzická realizace.

Mechanické díly

Mechanické díly byly zakoupeny již v požadovaných rozměrech, případně nařezány na potřebný rozměr, a poté je již bylo možné přímo složit.

Pro tisknuté díly bylo použito čiré PET-G, výška vrstvy tisku nastavena na 0,3 mm při průměru trysky 0,4 mm.

Mechanická konstrukce

Do dřevěných desek jsem vyfrézoval otvory pro zakrytí šroubů spojujících základní rám a otvor pro dotykový panel. Mezi jednotlivé desky jsem také vložil hliníkové U a L profily pro zakrytí řezů desek.

Panty víka z plexiskla jsou zapuštěny do zadní desky rámu a celý rám je oblepen izolační pěnou pro měkčí dosednutí při zavření víka.