Laserplotter

Ein Präzisionsplotter muss nicht teuer sein. Benötigte Baugruppen finden sich in fast jedem Bastelkeller. Wenn statt eines Stiftes ein Laser verwendet wird, erweitern sich die Einsatzbereiche ungemein. So kann der Plotter auch als Lasercutter dienen.

Zutaten

• 2 defekte DVD-Laufwerke
• 1 Laserdiode aus einem defekten DVD-Brenner (eins der obigen Laufwerke)
• 1 R32C/111-Evaluation-Board (Geschenk eines Weihnachtsgewinnspiels)
• 1 Lochblech aus einem alten Industrie-PC-Gehäuse als Werkstückträger
• 2 Magnete aus alten Festplatten, um das Werkstück in Position zu halten
• 2 L293D aus altem Spielzeug als Treiber für die Schrittmotoren der Laufwerke
• 1 LM317 Konstantstromquelle für die Laserdiode (aus dem Netzteil eines Tastatur-Umschalters)
• 1 Steckbrett als Platine
• 3 Flachbandkabel aus IDE-Kabeln
• 1 Holzbrett als Grundplatte
• 3 Holzleisten zur Aufhängung der Y-Achse
• 1 CPU-Lüfter, der verhindern soll, dass sich Material auf der Linse des Lasers ablegt
• 1 Aixiz-Gehäuse für die Laserdiode (für das Projekt neu gekauft)

Inspiration

Der Bau eines Plotters war schon länger vorgesehen. Inspiration kam aus dem Netz. Ein Video zeigt einen extrem einfachen mechanischen Aufbau. Weiterhin gibt es im Netz diverse Videos mit Laserdioden, etwa hier.

Hardware

In DVD-Laufwerken ist die Lasereinheit auf einer präzisen Führung montiert. Zum Verschieben der Lasereinheit gibt es meist einen Schrittmotor. Mehrere vom Autor zerlegte Laufwerke zeigten einen identischen Aufbau. Der Verfahrweg beträgt ca. 40 mm. Der Schrittmotor macht auf diesem Weg ca. 500 Halbschritte, sodass eine Genauigkeit von ca. 0,1 mm pro Halbschritt erreicht werden kann. Bei zwei orthogonal verwendeten Laufwerkseinheiten ergibt sich eine Fläche von ca. 40 mm × 40 mm, die der Laser erreichen kann.

Zur Befestigung des Aixiz-Gehäuses an dem für die Y-Achse zuständigen Laufwerk wurde ein Päckchen Sugru verwendet, aus welchem eine Schale für die Aufnahme des Aixiz-Gehäuses geformt wurde, sodass das Lasergehäuse in der richtigen Position gehalten wird. Für die Befestigung kommt noch ein Kabelbinder um Laufwerksschlitten, Sugru und Aixiz-Gehäuse zum Einsatz.

Als Treiberschaltung für die Schrittmotoren wird jeweils ein L293D-Baustein eingesetzt. Angesteuert werden die Bausteine durch ein Evaluation Board eines Mikrocontrollers, welches aus einem Gewinnspiel stammt. Auf dem Controller läuft ein Programm, das Daten, die auf einer USB-/seriellen Schnittstelle eingehen, auf seine Ausgangspins legt. Der Controller wird so zur Ausgabe an die Hardware benutzt.

Die Idee, eine Laserdiode anstelle eines Stiftes bei diesem Plotter zu benutzen, ergab sich durch das Vorhandensein der Diode in der Hardware und den Spieltrieb des Autors. Für die Wärmeabfuhr der Diode wurde ein Aixiz-Gehäuse verwendet.

Die Konstantstromquelle der Laserdiode wurde durch eine einfache LM317-Schaltung realisiert, welche auf ca. 170 mA eingestellt ist. Diese kann über ein Relais aus- und eingeschaltet werden. In der Software wird das Relais in der HPGL-Version durch "Stift heben" bzw. "Stift senken" (PU & PD) gesteuert, in der G-Code-Version der Software sind hierfür die Kommandos M3 und M5 zuständig. Ich habe versucht, den Diodenstrom so zu bemessen, dass die Lebensdauer der Diode nicht unnötig beeinträchtigt wird, aber die Diode noch genug optische Leistung zum Brennen liefert.

Das Werkstück wird mit Hilfe des X-Achsen-Laufwerks verschoben. Für die Y-Achse wird die Lasereinheit über dem Werkstück verschoben. Ein CPU-Lüfter erzeugt, solange Versorgungsspannung anliegt, einen leichten Luftstrom, damit sich kein Rauch an der Linse der Laserdiode niederschlägt.

Software

Die Software des Projektes lässt sich in vier Teile zerlegen:

1. uC-Firmware
2. Treibersoftware für Schrittmotoren und Lasersteuerung
3. HPGL- und G-Code-Interpreter
4. Testsoftware

Zu 1: Die uC-Firmware ist einfach gehalten und stellt im Prinzip einen Seriell-Parallel-Wandler da.

Zu 2: Gesteuert wird der Plotter durch einen PC. Auf dem PC läuft ein Programm, welches in mehreren Programmiersprachen umgesetzt ist. Zur Ausgabe an die Hardware gibt es einen Softwaretreiber für die Schrittmotoren, der die Steuerungssignale generiert und an den Controller liefert.

Zu 3: Ein Stiftplotter erarbeitet/verarbeitet typischerweise HPGL, so wurde in Lex/Yacc ein HPGL-Interpreter geschrieben, damit der Plotter produktiv benutzt werden kann. Hierzu wurden nur die wichtigsten HPGL-Befehle umgesetzt.

Es zeigte sich, dass beim Einschalten der Laserdiode, diese einige Sekunden am Platz verweilen muss, damit sie "einbrennen" kann. Das weitere "Beschreiben" von Holz kann dann mit höherer Geschwindigkeit geschehen.

Dadurch dass der HPGL-Interpreter in Lex/Yacc geschrieben ist, ließ sich dieser leicht gegen einen einen G-Code-Interpreter austauschen. dies vergrößerte die Möglichkeiten beim Einsatz von CAD-Software.

Im Blockdiagramm sind die Softwareteile, die auf einem PC laufen, rot hinterlegt.

Die hardwarenahe Software auf dem uC sowie die Hardware selbst sind violett hinterlegt. Es ist ebenfalls zu sehen, wie HPGL- und G-Code-Interpreter gegeneinander ausgetauscht werden können.

Zu 4: Zur Inbetriebnahme wurde ein weiteres Programm geschrieben, das besseren Zugriff auf die Hardware bietet, sodass die Laserdiode ein-/ausgeschaltet werden kann oder die Schrittmotoren gesteuert werden können. So konnten der mögliche Verfahrweg von Werkstück und "Werkzeug" erprobt und der mögliche Bearbeitungsbereich gekennzeichnet werden.

Erfahrungen

Es stellte sich heraus, dass mit der Konstruktion nicht nur Holz bebrannt, sondern beispielsweise auch Moosgummi geschnitten werden kann. Die zum Beschriften von Holz ideale Vorschubgeschwindigkeit wurde durch verschiedene Testreihen ermittelt (Bild mit verschiedenen Zahlen in mm/min).

Auf den Bildern sind neben den im Video beschrifteten/geschnittenen Teilen noch ein Blumenbeschriftungsschild aus einem Rollmopshölzchen sowie eine aus Moosgummi geschnittene Stempelplatte zu sehen, bei der das überschüssige Material noch nicht entfernt wurde. Diese Stempelplatte kann auf ein Holzstück geklebt werden und ergibt damit einen Kinderstempel.

Eine Idee, die noch nicht realisiert ist, ist mit variabler Geschwindigkeit/Beleuchtungsdauer über Moosgummi zu fahren, sodass beispielsweise ein Graustufenbild als Relief in das Moosgummi gebrannt wird, da sich der Laserstrahl nicht komplett durch das Material brennen kann. So könnte die Hardware als einfacher 3D-Drucker dienen. Der "Verfahrweg" der Z-Achse wäre in diesem Fall auf die Dicke des Moosgummis, also 2..5 mm beschränkt. Es bleibt also spannend ... (pek)

Video

(pek)