Laserplotter aus alten DVD-Laufwerken

<wrap important>Ein Laserplotter ist kein Spielzeug! Die hier erzeugte Laserstrahlung ist sehr kräftig und schädigt die Augen sofort. Auch Reflexionen des Lichts reichen schon. Daher sollte man immer eine Schutzbrille tragen und auch dafür sorgen, dass der Laser nicht in die Hände von Unbedarften oder Kindern gelangt.</wrap>

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Angeregt durch Artikel in der CT HardwareHacks 1/2013, baue ich mir ebenfalls einen Laserplotter und dokumentiere das hier. Ein eventueller Nachbau geschieht auf eigene Gefahr.

• eine Schutzbrille gegen Laserstrahlung mit 445nm Wellenlänge
• zwei alte DVD-Laufwerke
• Laserdiode 445nm blau 1W (Bezugsquelle)
• Laserdiodengehäuse Aixiz Lasermodul (Bezugsquelle)
• Arduino
• Adafruit Motor Shield
• Universalnetzteil 1500 mA
• Konstantstromquelle für Laserdiode
  • Lochrasterplatine
  • diverse Drähte
  • 2 x Dioden
  • 1 x Transistor
  • 1 x Elektrolytkondensator
  • 1 x Relais
  • 1 x LM317
  • 1 x 1kΩ Widerstand
  • 1 x 10Ω 4 Watt-Poti (Bezugsquelle)
• alter Alu-CPU-Kühlkörper
• diverse Drähte, Werkzeuge, Lötzubehör, Holzplatte, Schrauben, Beilagscheiben, etc.
• optional: Schlüsselschalter / rote und grüne LED mit Widerstand (Betriebsanzeige) / Warnaufkleber

In der Originalanleitung ist die Y-Achse fest am Plotter montiert und transportiert den Laser hin und her. Die X-Achse ist als Arbeitstisch ausgeführt, der sich unter dem Laser bewegt (s. hier). Da ich vor habe auch größere Gegenstände mit dem Laser zu beschriften, ist die Art der Konstruktion natürlich ungünstig, da der Arbeitstisch in der Höhe nicht variabel ist und auch keine größeren Lasten befördern kann. Daher habe ich mich entschieden, die Laserdiode so zu montieren, dass nur sie in X- und Y-Achse bewegt wird und das zu bearbeitende Objekt fest steht.

Zunächst schlachtete ich zwei DVD-Laufwerke aus, man braucht nur die inneren Schlitten, welche den Laser unter dem optischen Medium positionieren. Ich habe so viele Bauteile wie möglich vom Schlitten abgebaut, damit die Konstruktion möglichst leicht wird. Ich hatte das Glück, dass sich der Aufbau des beweglichen Schlittenteils, nach entfernen des Lasers und der Optik, einer Wanne glich.

In diese habe ich drei M3 Schrauben gestellt, die Löcher der Wanne mit Klebeband abgedichtet und alles mit Epoxydharz ausgegossen. An den drei Schrauben befestigte ich den anderen Schlitten.

Das Motor-Shield kommt in Einzelkomponenten und muss zusammengelötet werden, das dauert etwa eine Stunde. Die Anleitung dazu findet sich hier. Dort finden sich auch die benötigten Libraries zur Ansteuerung durch den Arduino.

An die Schrittmotoren der DVD-Schlitten lötet man Drähte und verbindet diese mit dem Motor-Shield. Ich habe außerdem die Endkontakte der Schlitten gesucht und an diese ebenfalls Drähte angelötet die mit dem Arduino verbunden sind. So kann ich die Schlitten kalibrieren indem ich sie zurückfahre, bis der Endkontakt auslöst.

Den unteren Schlitten habe ich anschließend auf einem Stück Buchenleimholz (ca. 10 x 30 x 1,8 cm) installiert, in welchem eine Aussparung ist, durch die der Laser später das Material lasert. Mit Beilagscheiben habe ich Höhenunterschiede ausgeglichen und dafür gesorgt, dass der Schlitten an nichts hängen bleibt. In die Ecken der Buchenholzplatte habe ich Löcher gebohrt und mit Gewindestangen, Flügelmuttern und Rundkopfmuttern einen höhenverstellbaren Tisch realisiert.

Der Aufbau der Konstantstromquelle (ähnlich hier) war für mich als Laie zu meistern, allerdings muss man schon immer zwei mal hinsehen, ob man auch nichts vergessen hat. Ein Multimeter hilft ungemein bei der Fehlersuche. Statt dem Spindeltrimmer und dem kleinen Widerstand daneben, habe ich einen 4 Watt 10 Ohm Poti mit großem Drehknopf eingelötet.

Die Laserdiode wird in einem Gehäuse betrieben, wie man die Diode in dieses Gehäuse bekommt und die Linse montiert, erklärt diese Seite mit Videos recht anschaulich.

Die Laserdiode wird im Betrieb sehr warm daher muss sie unbedingt gekühlt werden. Dazu montiere ich das Lasergehäuse in einen Kühlkörper. Als Kühlkörper verwende ich einen ausrangierten CPU-Kühler den ich entsprechend zurecht gesägt habe.

In die Kühlkörperhälften habe ich Gewinde geschnitten um die Hälften zu verschrauben. Mittig wurde ein 12mm Loch gebohrt in welches ich das Lasergehäuse mit Wärmeleitpaste fixiert habe. Die ganze Konstruktion wurde am Schlitten verschraubt.

Bilder fehlen

Auch dem LM317 habe ich ein Stück des Kühlkörpers gegönnt, da dieser ebenfalls sehr heiß wird. Dazu schneidet man einfach ein kleines Gewinde (M3) in ein Stück Kühlkörper und schraubt dieses am LM317 fest.

Bild fehlt

Link fehlt Die Originalsoftware mit Arduino-Sketch, serieller Kommunikationssoftware, ein paar Vorlagen und Inkscape-Plugin findet sich hier.

Die Firmware auf dem Arduino habe ich etwas erweitert. Ich steuere zusätzlich zwei Status-LEDs (Bereit, Laser) an. Außerdem habe ich Endkontakte und kann daher den Plotter selbst kalibrieren lassen. Das mache ich beim Einschalten und vor jedem neuen Job einmal. Dazu wird die X- und Y-Achse schnell zurückgefahren bis der Endkontakt auslöst und dann langsam so weit vorgefahren bis der Kontakt wieder frei ist. Nach dem Gravierjob stelle ich außerdem den Strom ab (Funktion: release), so dass die Motoren auskühlen können.

Das Arduino-Sketch steht unter der GPL, daher habe ich meine Modifikationen hier online gestellt: - Repository einrichten, Änderungen hinzufügen

Die serielle Kommunikationssoftware „Ser-com.exe“ ist recht simpel, ich werde Sie durch eine eigene Anwendung ersetzen, die z. B. auch unter Linux läuft. Aktuell habe ich aber noch nichts entwickelt.

Eine Zusammenstellung welche Materialien und Objekte man mit dem Laser gravieren und schneiden kann und mit welchen Einstellungen.

Material	graviert / geschnitten	Vorschub	Ω (mA)	Foto
Pappelsperrholz	gravieren	30	2,8 (446)
Leimholz Fichte/Tanne	gravieren	30	2,5 (500)	-
Leimholz Buche	gravieren	30	2,5 (500)
Apfelholz	gravieren	30	3	-
Zimmermannsbleistift, rot	gravieren	30	3,0 (416)
Apfel	gravieren	30	1,8
Toastbrot	nicht getestet	-	-	-
Wäscheklammer	nicht getestet	-	-	-
Streichholz	nicht getestet	-	-	-
Brotzeitbrett	nicht getestet	-	-	-
Moosgummi, gelb	schneiden	30	4
Filz	nicht getestet	-	-	-
Papier, 80g, weiß	geschnitten	30	3,8 (328)
Leder schwarz	nicht getestet	-	-	-
Polystyrol	nicht getestet	-	-	-
Stein, dunkel	graviert	5	-
Blasaholz 1mm	schneiden	65	2,5 (500)

Aus den geschnittenen Moosgummiteilen lassen sich prima Stempel basteln.

Als Laie läuft man in Probleme, die einem Profi so vielleicht nicht passieren, diese habe ich folgend dokumentiert.

Meine Schrittmotoren sind offensichtlich unterschiedlich. Das sieht man schon daran, dass sich die herausgeführten PINs einmal in Reihe und einmal doppelreihig angeordnet sind. Um die richtigen Pins an den Schrittmotoren zu finden genügt ein Multimeter. Man misst einfach den Widerstand zwischen den Pins um herauszufinden welche zusammengehören (das sind die, durch die ein Strom fließt ).

Ein weiteres Problem war, dass meine Motoren unterschiedliche Spannungen benötigen. Das bemerkte ich erst, als einer der beiden im Betrieb sehr warm wurde. Grundsätzlich kann man das umgehen, indem man Schrittmotoren aus baugleichen Laufwerken verwendet.

Ich habe mein Steckernetzteil (1500 mA) mit folgenden Volt-Einstellungen getestet.

Ich speise das Motor-Shield und die Laserstromquelle aus dem Steckernetzteil. Der Arduino bekommt den Strom über USB vom Laptop.

Die größte Schwäche dieses Plotters ist sein kleiner Aktionsradius. Die etwa 40x40mm sind sehr wenig. Cool wäre es, wenn man mit so einem Plotter Din-A4 Papier schneiden könnte. Dazu braucht man aber eine größere Mechanik, so wie hier. Passende Stangen, Gleitlager und Schrittmotoren konnte ich bereits aus alten Scannern ausschlachten, es wird also ziemlich sicher bald einen größere Laserplotter hier zu bestaunen geben. ;)

• http://c4r0.elektroda.eu/_hv/index.php?page=lasers/cnc2
• http://www.youtube.com/watch?v=iEUGbagf5-4
• https://www.youtube.com/watch?v=DKX5KeDBYWU
• https://grrf.de/en/catalog/pololu-a4988-stepper-motor-driver-carrier
• https://github.com/grbl/grbl

Hier geht es zur Vorplanungsseite: Laserplotter XL selbst bauen