Nie bez znaczenia był też fakt, że w rozsądnej cenie udało się kupić panel podkładowy typu „plaster miodu” do małych ploterów laserowych. Ponieważ jest to element standardowy, był dostępny od ręki i nie kosztował dużo. Taki sam panel na całą przestrzeń roboczą naszej maszyny będzie już znacznie droższy, dlatego zamówimy jego wykonanie dopiero wtedy, gdy będziemy pewni, że niczego nie będziemy już zmieniać. Na razie nasz stół ma wymiar 90 × 60 mm i w zupełności wystarczy do prac testowych.

Rys. 9 Zamontowany mały stół roboczy do pierwszych testów wypalania CNC.

Gdy mieliśmy już w miarę poprawnie działającą optykę oraz stół o dość dobrym obszarze roboczym, mogliśmy przystąpić do pierwszych testów wypalania większych kształtów. W jednym z marketów budowlanych kupiliśmy spory zapas ścinków drewnianej sklejki o różnych grubościach i przystąpiliśmy do pracy — rysunek, G-kod i start. Oczywiście wcześniej było jeszcze trochę ustawień w programie Mach związanych z orientacją osi i obszarem naszego pola roboczego. W każdym razie pierwszy wypalony kształt skutecznie zadymił nam całą pracownię i sporą część budynku.

Rys. 10 Odciąg spalin powstających w czasie wypalania od spodu stołu roboczego.

Zdaliśmy sobie sprawę, że zanim ruszymy z dalszymi pracami, musimy najpierw rozwiązać problem spalin. Pierwszy pomysł wydał się oczywisty — zabudować spodnią część obszaru pod stołem roboczym i zamontować tam rurę odciągową z wentylatorem bocznokanałowym. Akurat mieliśmy na magazynie niewielki i cichy wentylator o imponującej wydajności przepływu 67 m3/h. Do tego, również z naszego magazynu części odzyskanych, wykorzystaliśmy rurę spiralną: stalowa sprężyna pokryta mocną folią aluminiową, średnica wewnętrzna 40 mm. Rozwiązanie to sprawdziło się jednak tylko częściowo — spaliny, które strumieniem powietrza z dyszy przechodziły na spodnią stronę obrabianego materiału, były odciągane prawidłowo. Niestety większość dymu była rozdmuchiwana po powierzchni, a ssanie nie było równomierne i wystarczająco silne na całej powierzchni stołu, więc znaczna część dymu pozostawała w otoczeniu stanowiska.

Rys. 11 Odsysanie spalin od góry.

Dymu pozostawało na tyle dużo, że musieliśmy odrzucić to rozwiązanie. Gdybyśmy cięli jedynie drewno, dałoby się to jeszcze zaakceptować, ale przy cięciu plexi, gumy czy innych tworzyw sztucznych nawet niewielkie ilości powstającego dymu są nieakceptowalne. Wentylator pozostał, ale zmieniliśmy koncepcję odciągu: rurę odłączyliśmy od spodu i przymocowaliśmy do suportu, z wlotem możliwie blisko dyszy. Rura podążała wraz z głowicą tnącą i odsysała nawet dym silnie rozdmuchany przez dyszę wylotową.

Film. 1 Praca odciągu spalin z procesu cięcia.

Ten film pokazuje, jak dobrze sprawdził się ten pomysł: dym jest skutecznie odsysany. Musieliśmy nawet zainstalować falownik sterujący silnikiem wentylatora, aby zmniejszyć siłę ssącą — zbyt silny strumień powietrza przy dużej mocy lasera powodował nadpalanie materiału w kierunku otworu wlotowego rury ssącej.

Film. 2 Praca dolnego odciągu spalin.

Dla porównania, na tym filmie widać dolny odciąg spalin (parametry pracy plotera i lasera są identyczne) — ilość dymu jest znaczna. Część spalin jest zasysana w dół, ale to zdecydowanie za mało. Koncepcję z rurą odciągową zostawiamy — docelowo będzie ona wyglądała inaczej, ale o tym napiszemy w kolejnej części opracowania, gdy będziemy opisywać modyfikację samej głowicy tnącej.

Rys. 12 Stanowisko robocze z odciągiem spalin.

Na tę chwilę mamy już dobrze przygotowane stanowisko do rozgryzania kolejnych wyzwań związanych z pracą plotera w warunkach zbliżonych do produkcyjnych. A wyzwań pojawiło się jeszcze całkiem sporo, gdy do naszej maszyny podeszliśmy zadaniowo. Zaczęliśmy się zastanawiać, jaki typ prac moglibyśmy wykonywać na takim laserze i z jakimi problemami spotkają się użytkownicy, którzy kupiliby u nas taką maszynę. Dlatego zaczęliśmy od narysowania grafiki reklamowej, którą można wyciąć ze sklejki.

Rys. 13 Próba wycięcia grafiki z drewnianej sklejki.

Urokiem budowy nowych maszyn jest to, że gdy rozwiąże się jeden problem, po chwili pojawia się cały worek kolejnych. Kluczowym wyzwaniem, z którym przyszło nam się zmierzyć w pracy już poniekąd produkcyjnej, były przepalenia materiału. Nasze oprogramowanie CAM — Mach3 — nie jest w pełni przystosowane do pracy z laserem. Próbowaliśmy na różne sposoby zsynchronizować ruch osi z momentami włączenia i wyłączenia wiązki, ale efekty nie były dobre. Albo pojawiały się przepalenia, albo występowały obszary, w których laser powinien pracować, a nie pracował. Co więcej, przy bardziej złożonych kształtach, gdy program interpolował ruch po okręgu, wypadkowa prędkość ruchu malała, a laser pracował z tą samą mocą — w rezultacie okręgi były mocniej przepalone.

Film. 3 Praca plotera — niechciane przepalanie materiału.

Na tym filmie dobrze widać jeden z problemów. Zaprojektowaliśmy kształt, w którym silniki musiały dosłownie na chwilę się zatrzymać, aby narożnik wyszedł prawidłowo. Od razu widać, że w tym momencie wiązka przebiła płytę na wylot. Podobnie dzieje się przy samym momencie włączenia wiązki względem rozpoczęcia ruchu osi — niby są to ułamki sekundy, ale w takiej pracy robi to dużą różnicę. Na tym etapie, po wielu próbach konfiguracji, zrozumieliśmy, że aplikacja Mach3 nie sprawdzi się w tej maszynie. Na szczęście producent sterownika CSMIO/IP-M, który zastosowaliśmy w tym projekcie (opisanego w poprzedniej części artykułu), stworzył własne oprogramowanie CAM o nazwie SimCNC.

Rys. 14 Pulpit sterujący z uruchomionym oprogramowaniem SimCNC.

W Mach3 nasz laser był traktowany analogicznie do wrzeciona — jego załączanie i wyłączanie realizowane było kodami M3/M5. Takie podejście, choć funkcjonalne na etapie wstępnych testów, w praktyce znacząco ograniczało możliwości precyzyjnego sterowania wiązką i nie pozwalało w pełni wykorzystać potencjału źródła laserowego.

Przejście na SimCNC firmy CS-Lab wymagało od nas opanowania nowego środowiska oraz innego podejścia do konfiguracji maszyny, jednak szybko okazało się, że wysiłek ten przyniósł wymierne korzyści. Oprogramowanie to oferuje natywne wsparcie dla pracy z laserem, umożliwiając bezpośrednie sterowanie emisją wiązki, modulację mocy w funkcji ruchu oraz realizację pracy w trybie impulsowym. Dzięki ścisłej synchronizacji sygnałów sterujących laserem z interpolacją osi uzyskaliśmy znacznie większą kontrolę nad procesem obróbki, co nie tylko poprawiło jakość cięcia i grawerowania, ale również otworzyło przed nami nowe możliwości eksperymentowania i dalszego rozwoju projektu.

Te nowe możliwości sterowania wymusiły konieczność modyfikacji sterownika samego lasera. Musieliśmy zapewnić możliwość płynnej regulacji mocy sygnałem analogowym 0–10 V. Na tym etapie mamy możliwość jedynie manualnej regulacji mocy z poziomu HMI sterownika lasera. Konieczne okazało się więc sprzężenie oprogramowania SimCNC, poprzez kontroler, z naszym sterownikiem lasera. O tym napiszemy później, ponieważ wymaga to stworzenia nowej płytki PCB oraz istotnej modyfikacji kodu procesora.

Rys. 15 Próba cięcia okręgu w grubej płycie plexi.

Ponieważ konieczne zmiany będą wymagały czasu, wzięliśmy się za jeszcze lepsze dopracowanie optyki. Na filmie nr 3 widać, że układ optyczny wymaga jeszcze poprawy. Średnica wiązki nie jest jeszcze optymalna, a strumień powietrza wdmuchiwany równolegle do wiązki bardziej rozdmuchuje nadtopiony materiał, zamiast wydmuchiwać go od spodu — w przypadku drewna powoduje to rozżarzanie ścianek i dodatkowe wypalenia. Co więcej, strumień powietrza nie jest współosiowy z wiązką. Powstał więc pomysł zaprojektowania nowej głowicy i wydrukowania jej na drukarce 3D.

Rys. 16 Projekt nowej głowicy w programie Fusion360.

Poprzednia głowica była złożona z wielu elementów wciskanych na siebie. Była też dość długa, a szybkie ruchy na suportach powodowały jej przekrzywianie. W efekcie nie mogliśmy zastosować małego otworu wylotowego dla wiązki i powietrza, bo wiązka po prostu „ginęła”. Z tych względów otwór był dość duży, co z kolei powodowało, że strumień powietrza był bardzo szeroki. Teraz chcemy zbudować wszystko tak, aby dysza, przez którą wychodzi wiązka i strumień powietrza, była możliwie wąska, a jednocześnie możliwie długa — tak, aby ukierunkować strumień powietrza w „igłę”, która skutecznie będzie wydmuchiwać materiał.

Rys. 17 Wydrukowana jedna z części głowicy wraz z soczewką skupiającą i uchwytem.