Модификация охлаждения диодного лазера, и устранение волнистости линий

Как вы можете помнить из самой первой моей записи, я купил (на свою голову) лазерный гравер Creality CR Laser Falcon, однако, у него нашлись очевидные недостатки в виде невозможности работы с карты памяти с G-кодом, подготовленным чем-то кроме LightBurn, а так же в волнистости линий по оси X. И если с первым бороться сложно, то вторую проблему я частично поборол за счёт пластиковой вставки, уменьшающей вибрации кронштейна лазерной головы.

Однако, сохранявшаяся проблема не давала мне покоя, и лазером было решено заняться всерьёз. Поскольку люфты механики были исключены, причиной вибрации могла оставаться только последняя подвижная деталь — вентилятор охлаждения, и эти предположения себя оправдали.

Кстати, вот он — виновник торжества.

А вот так он себя ведёт, если его запитать, и свободно подвесить. Нет, это — не мои дрожащие руки, это — вибрация корпуса вентилятора, и то, как её видит камера телефона. Глаза же воспринимают её, как расплывчатость контуров.

Побороть это можно было бы простой заменой вентилятора, но не факт, что новый вентилятор окажется не хуже старого. Помимо того, вентилятор рассчитан на 24В, как и сама лазерная голова в целом, и новый был бы достаточно дорог.

Однако, у меня в наличии были вентиляторы San Ace 40 от Sanyo Denki! Бонус — это реально качественные, и хорошо сбалансированные вентиляторы, объединённые в блок из двух встречно вращающихся вентиляторов, что обеспечивает ламинарный поток, и отсутствие гироскопического эффекта. Из минусов — вентиляторы на 12 вольт, а значит, надо придумать, как понизить напряжение, желательно сохранив КПД. И в этом нам помогут step-down импульсные DC-DC преобразователи HW-411, на базе проверенных временем микросхем LM2596. Осталось только придумать, как их крепко прицепить к лазерной голове.

Поскольку новые вентиляторы более чем в два раза выше старого, пришлось искать 100мм болты М3, которых, конечно, нигде в продаже нет. А значит, надо сделать их самому, ну или не болты, а шпильки. Сделать их проще всего из 3мм сварочного электрода, с оббитой обмазкой.

Нарезаем электрод на куски нужной длины, снимаем фаску, и режем резьбу. Поскольку режем мы её китайской леркой из набора, купленного мной в далёком 2009-м году, когда я был совсем нищим, то резьба режется криво, и уже второй пруток обламывается, застревая в лерке, а при попытке его высверлить — в нём обламывается тонкое сверло, приводя меня в бешенство.

Но не беда! У нас в запасе есть советская лерка! Правда, её нечем крутить, т.к. она мелкого диаметра, но выход тут же нашёлся — она идеально подошла по диаметру к скруглению отверстия ключа для болгарки! А стопорилась в нём вставкой подходящего диаметра сверла в паз!

За то посмотрите, какая после неё получается чудесная резьба!

Далее проектируем в Компасе и печатаем на 3D принтере кронштейн из ABS, тоже не с первого раза — уже под конец печати его оторвало от стола, и он ушёл в мусорку.

Но вот кронштейн напечатан, к нему прикручен преобразователь питания, к выходу которого подпаян не только вентилятор, но и стабилизатор 78L05, о назначении которого будет отдельно сказано ниже.

Функция стабилизатора проста — он понижает входное напряжение до 5 вольт. Нагрузкой его служит резистор сопротивлением 1кОм, средняя точка которого подключена к выводу PWM вентиляторов. Как выяснилось, у этих вентиляторов контроллер имеет особенность — при отсутствии ШИМ-модуляции на входе PWM, его контроллер переходит в аналоговый режим, при котором обороты в диапазоне 10-80% можно регулировать изменением уровня напряжения на его входе.

Конечно, мы можем регулировать обороты простым изменением выходного напряжения DC-DC преобразователя, но при низком напряжении есть риск, что вентилятор просто не запустится, а при данном включении — контроллер запускает крыльчатки коротким импульсом, а затем поддерживает заданные резистором обороты. Так же пришлось удлинить немного провода питания лазера. Схему я не привожу — она примитивна и интуитивно понятна.

Вот так выглядит сборка лазерной головы с новым вентилятором:

Ставим голову на гравер, и начинаем тесты!

Для теста используем стандартный тест мощности, предлагаемый нам LightBurn. Гравируем по слою чёрной акриловой краски, нанесённому на грязную дюралюминиевую пластину, валявшуюся у меня в гараже.

Первое изображение — при максимальном вылете головы, правое — при минимальном. Мы видим, что на первом изображении волнистость присутствует, но стала значительно меньше, чем во втором тесте в первой заметке. На втором же изображении её уже практически нет, а искажения, вероятно, обусловлены разрешением применяемых шаговых двигателей, и их драйверов.

Далее, отмыв первый тестовый прожиг от копоти, мы можем оценить волнистость горизонтальный линий по контуру окон от тестового прожига. И волнистости нет. Т.е. при перемещении строго по оси X вибрация лазера отсутствует или пренебрежимо мала даже на большом вылете.

Отдельный интерес представляет второй тестовый образец, выгравированный на той же пластине, но не отмытый. На нём при достаточном увеличении становятся видны не только горизонтальные линии растра лазера, сканирующего поверхность, но и в подробностях — его вытянутое фокусное пятно, и работа широтно-импульсного модулятора, ограничивающего мощность, и формирующего характерный рисунок из множества точек включения лазера.

Интересен и эффект образования градиента окраски не только в области с высокой скоростью и низкой мощностью, но и в области с низкой скоростью и высокой мощностью. Как выяснилось, при росте мощности и времени экспозиции, копоть от выжигаемой краски не сдувается с поверхности, а снова вжигается в неё лазерным лучом.

На этом можно считать исчерпывающей информацию, необходимую для настройки лазера при гравировании масок печатных плат, и перейти к тестам на ещё каких-нибудь материалах.

Первым под руку попался кусок доски неизвестной породы дерева.

Однако вместо образования чётного градиента яркости, лазер просто увеличивал глубину гравировки, а на высоких мощностях — начинал прожигать дерево, достигая максимальной глубины около 5мм.

Следующий тест был на полиэтиленовой пластине. Поскольку на пластину без покрытия лазер не оказывал никакого эффекта, она так же была окрашена черной акриловой эмалью.

На ней так же чётко виден сформировавшийся градиент, отсутствие вибраций, и треки лазерного пятна, однако в области максимальной мощности и минимальной скорости можно наблюдать вскипание полиэтилена. Эта область совпадает с той, которая на алюминиевой пластине соответствует вжиганию копоти обратно в поверхность. Только в данном случае, в отличие от алюминия, это приводит к тому, что полиэтилен начинает поглощать лазерный луч, и кипеть.

После отмывки прекрасно видно изменение структуры поверхности.

На этом эксперименты можно считать оконченными, а гравер — готовым к работе.

Конечно, поскольку он будет установлен у меня в рабочем кабинете, ему потребуется изготовить короб, защищающий от ультрафиолета, и вытяжку, удаляющую дым и неприятные запахи. Но в гараже его можно использовать для изготовления плат уже сейчас.