Gravírka Laser G1 i1 – Máy khắc & cắt laser 3 trục khổ lớn

Tác giả: Michal Tulach

Giảng viên hướng dẫn: Ing. Bc. Petr Hellebrand

Trường: SPŠEaG V Úžlabině

Đây là phiên bản đầu tiên của máy khắc laser 3 trục Laser G1 i1 do mình thiết kế. Vùng khắc là 495⨉450mm, nhưng có thể mở rộng hoặc thu nhỏ tuỳ ý bằng cách dùng ray trượt tuyến tính, nhôm định hình và dây đai dài/ngắn hơn. Mình dùng laser NEJE N30820 20W (công suất quang 5.5W), có thể khắc lên gỗ, nhựa, lớp sơn và các vật liệu mềm khác. Nó không khắc được lên kim loại và các vật liệu cứng hơn — mình đã thử rồi. Sau khi chỉnh firmware thì cũng có thể gắn một spindle/phay nhỏ, tuy nhiên cần tự model thêm cái ngàm/giá đỡ. Phần động học dùng bốn động cơ bước NEMA 17 và toàn bộ máy được điều khiển bởi vi điều khiển 8-bit Arduino MEGA 2560 chạy firmware Marlin. Máy được thiết kế cho nhu cầu dùng tại nhà hoặc các xưởng sản xuất nhỏ. Mình biết phần cứng dùng chưa phải loại mới nhất, nhưng đây mới là prototype và là bản đầu tiên của dự án. Tương lai mình dự tính chỉnh sửa vài chỗ và thay phần cứng bằng các loại mới hơn.

Mình xin lưu ý trước: nguồn cấp là điện lưới 230V, nên bắt buộc phải có đủ chứng chỉ/đủ thẩm quyền để làm việc với điện áp nguy hiểm. Ngoài ra đây là laser công suất cao có thể gây hại mắt; mình khuyến nghị mạnh là trước khi làm hãy trang bị kính bảo hộ chống tia laser, khi khắc thì đeo kính và làm việc có trách nhiệm. Mình không chịu trách nhiệm cho bất kỳ thiệt hại nào do dự án này gây ra.

Kết cấu của dự án này không đơn giản và chủ yếu dành cho những bạn đã có kinh nghiệm hàn và điện tử nói chung. Cũng cần có ít nhất kiến thức cơ bản để đọc hiểu sơ đồ mạch và bản vẽ/kế hoạch cơ khí.

Dụng cụ và linh kiện

Dụng cụ cần có:

• Máy in 3D
• bộ lục giác (imbus)
• bộ tua vít
• kìm nhỏ
• kìm cắt
• kìm tuốt dây (không bắt buộc nhưng sẽ nhẹ việc hơn nhiều)
• mỏ hàn
• flux và thiếc hàn
• dao rọc giấy
• bật lửa thường
• dũa dẹt nhỏ và dũa tròn nhỏ (tuỳ nhu cầu, nếu máy in của bạn không đủ chính xác cao)

Linh kiện cần có:

• Arduino MEGA 2560
• RAMPS 1.4 Shield
• Laser NEJE N30820 20W (công suất quang 5.5W)
• 3⨉ động cơ bước NEMA 17 1.5A, 1.8°
• 1⨉ động cơ bước NEMA 17 Pancake 1A, 1.8°
• 3⨉ driver DRV8825 kèm heatsink
• dây đai GT2 5m
• 3⨉ pulley GT2, 30 răng, lỗ trục 5mm, bản rộng 6mm
• 3⨉ pulley GT2, 30 răng, cho bu-lông có ổ bi 5mm, bản rộng 6mm
• 2⨉ ray trượt tuyến tính kèm carriage MGN12H 600mm
• 1⨉ ray trượt tuyến tính kèm carriage MGN12H 550mm
• 1⨉ ray trượt tuyến tính kèm carriage MGN7H 77,5mm
• 1⨉ nhôm định hình KOMBI 3030 610mm
• 2⨉ nhôm định hình KOMBI 3030 600mm
• 2⨉ nhôm định hình KOMBI 3030 550mm
• đầu nối D-Sub 25 gắn panel, 3A/pin (cả hai loại M và F)
• công tắc bập bênh 1 cực, 3A, kích thước 18⨉6mm
• 3⨉ board công tắc hành trình (có thể tự làm tại nhà bằng phương pháp quang và ăn mòn)
• 3⨉ bộ linh kiện cho công tắc hành trình – micro switch, LED 1206, điện trở 10kΩ 1206, điện trở 240Ω 1206, tụ 100nF 1206, đầu JST XH 3-pin (loại M và F)
• chỉ cần 1kg filament (PETG, PET, ASA, ABS hoặc loại cứng hơn; nhưng không nhất thiết)
• nếu in nhiều màu thì chuẩn bị thêm các màu theo ý
• bộ ốc vít nhiều chiều dài và đai ốc từ cỡ M2 đến M5 (nhưng nên xem assembly hoặc model để chọn đúng số lượng ốc và đai ốc)
• đai ốc M3 và M8 dạng trượt cho nhôm định hình KOMBI 3030 (cũng cần xem assembly)
• một bộ vít gỗ/ốc tự ren tuỳ phù hợp với lỗ
• vài sợi dây rút để cố định và gom dây
• dây điện – dây 4 lõi đường kính 1mm ít nhất 10m, dây 3 lõi đường kính 1mm ít nhất 8m, dây dẹt 4 lõi đường kính 1mm khoảng 2m là đủ, và các dây nhỏ khác
• bộ ống co nhiệt
• đầu cốt faston
• header/dutinkové lišty 2.54mm: 2pin, 3pin, 4pin
• LED báo kèm điện trở dùng cho 12V
• quạt 12V

Linh kiện công suất:

• cổng nguồn IEC C14 gắn panel
• bộ nguồn switching MEAN WELL RD-125-2412 (không lý tưởng lắm, nhưng mình dùng vì có sẵn ở nhà, hộp cũng thiết kế theo nó; ngoài ra cũng có thể dùng RD-125-2412)
• 2⨉ đế cầu chì cho cầu chì 5⨉20mm, đường kính 12mm
• cầu chì ống 5⨉20mm F3,15A và T2A
• nút nhấn STOP 2 cực, 5A, đường kính ngoài 30mm
• công tắc bập bênh 2 cực, 5A, kích thước 21⨉27mm

Linh kiện để vận hành:

• dây nguồn Euro (đầu IEC C13)
• cáp USB-A sang USB-B

In các phần của model

Chỉ cần thiết lập in như các model thông thường:

• layer 0.2mm
• 3 walls
• infill 25% cubic
• tree supports

Ở một số model có thiết kế sẵn lỗ để nhét đai ốc vào. Vì vậy cần xem kỹ model và đặt pause trong slicer tại đúng layer để bỏ đai ốc vào. Đai ốc bên trong nhằm tăng độ chắc mối ghép và để có thể tháo lắp lặp lại; mình không muốn dùng vít tự ren.

Khi in cái hộp (krabice) và chữ/nắp trước, bạn có thể bật in nhiều màu. Không bắt buộc, chỉ là cho đẹp thôi.

Lắp ráp

Trước tiên mình khuyên nên lắp các linh kiện vào hộp điều khiển trước. Làm theo sơ đồ đính kèm và bố trí nên tương tự như trong các hình mình để bên dưới. Sau đó lắp hoàn chỉnh phần đế. Nên cố định các carriage của ray trượt lại để chúng không trượt ra khỏi ray, vì lắp carriage vào lại khá là khó. Khi xong phần đế thì bắt đầu lắp tay (arm), rồi cố định và căng hai dây đai cho chuyển động trục Y. Tiếp theo lắp toàn bộ cụm đầu (head) và bắt nó lên carriage của trục X. Sau đó cố định dây đai của nó. Mình khuyến nghị thực hiện theo bản vẽ, hình ảnh hoặc các assembly trong Fusion. Phần đi dây và nối vào đầu D-Sub 25 thì nên để cuối cùng. Làm theo sơ đồ với các loại cáp nhiều lõi đã mua sẵn. Toàn bộ lắp ráp cũng nên ra giống như hình bên dưới.

Hình ảnh kết cấu

Nạp firmware

Giờ tới phần nạp firmware Marlin. Mình dùng chương trình này vì dễ chỉnh sửa và tương thích tốt, do đa số máy in 3D, máy khắc và CNC đều dùng. Chỉ cần cắm Arduino MEGA vào máy tính qua cáp USB, mở file .ino của Marlin trong Arduino IDE, chọn đúng board rồi upload. Firmware cũng có thể chỉnh rất dễ khi mở rộng máy, tinh chỉnh hành vi và tỉ số truyền, hoặc đặt tốc độ cao/thấp hơn.

Khởi động và điều khiển

Khi các bước trước xong rồi, giờ chỉ cần cắm dây nguồn vào hộp điều khiển và nối Arduino MEGA trong hộp với máy tính. Để test hoạt động, ban đầu có thể dùng Printrun để kiểm tra chuyển động. Nếu chưa làm thì cần chỉnh dòng phù hợp cho driver động cơ bước. Sau đó mở phần mềm khắc (mình dùng LightBurn nhưng có thể dùng cái khác như LaserGRBL) và thiết kế nội dung cần khắc. Rồi chọn đúng cổng giao tiếp, đeo kính bảo hộ, đặt vật liệu (ban đầu có thể dùng gỗ) vào vùng khắc và bật tất cả công tắc trên hộp điều khiển. Bước cuối cùng là nhấn nút chạy và bạn có thể quan sát máy bắt đầu khắc.

Phiên bản tương lai

Vì đây chỉ là phiên bản đầu tiên của máy khắc, nên về sau mình dự tính làm các phiên bản tiếp theo để chỉnh lại kết cấu và tăng tính đa dụng. Mình cũng muốn chỉnh cụm đầu khắc và hệ thống đi dây, vì hiện tại chưa dùng energy chain. Một hướng nữa cũng đáng cân nhắc là làm bản không dùng công tắc hành trình và phát hiện điểm cuối hành trình, ví dụ dựa trên việc dòng điện ở driver tăng lên.

Kết luận

Mình thực hiện máy khắc này một cách độc lập cho công ty Alarex Group s.r.o. trong khuôn khổ đề tài tốt nghiệp dài hạn. Mình rất vui nếu nhận được góp ý, cũng như các bản remix và đề xuất chỉnh sửa. Nếu cần thì mình cũng sẵn sàng hỗ trợ xử lý vấn đề.

Liên kết

Marlin https://marlinfw.org

LightBurn https://lightburnsoftware.com

LaserGRBL https://lasergrbl.com

Printrun https://pronterface.com

Cấu hình Marlin https://all3dp.com https://marlinfw.org