- Günstige CNC-Lasercutter und -Gravierer sind inzwischen auch für unter 1.000 US-Dollar erhältlich. Laser mit sinnvoll nutzbarer Leistung sind wegen der Risiken von Augenschäden, Feuer und giftigen Gasen jedoch eher Geräte, die Sicherheitsnachrüstungen benötigen, als fertige Produkte.
- Sicherer Betrieb beginnt damit, offene Rahmen nicht unverändert zu verwenden. Geschlossene Einhausung, externe Abluft, Interlocks, Not-Aus, feuerfeste Konstruktion, Feuerlöscher und Branderkennung sind Grundvoraussetzungen.
- Kaufentscheidungen sollten nicht auf der elektrischen Eingangsleistung basieren, sondern auf der tatsächlichen optischen Leistung (W), Wellenlänge, Kopfkonstruktion, Arbeitsfläche, Air Assist, Genauigkeit, Schnittgeschwindigkeit und Qualität der Einhausung.
- Diodenlaser eignen sich für Holz, Papier und das Gravieren einiger Oberflächen, aber nicht zum Schneiden von Metall. Faserlaser sind stark bei Metall, CO2-Laser sind vielseitiger, aber teurer und wartungsintensiver.
- Die Qualität der Ergebnisse hängt von Designdateien, G-Code-Konvertierung, Fokus und Spotgröße, Linsenreinigung, Luftstrom, Materialfixierung sowie leistungs- und geschwindigkeitsspezifischen Tests je Material ab. Daher sind wiederholte Experimente mit der jeweiligen Maschine nötig.
Sicherheit als Ausgangspunkt
- CNC-Lasercutter können durch gebündeltes Licht und beim Schneiden entstehenden Rauch und Gase dauerhafte Verletzungen oder Erblindung verursachen.
- Unter Lasern mit genug Leistung zum sinnvollen Schneiden und Gravieren gibt es keinen „sicheren Laser“. Offene Rahmen oder Bilder von Innenraumaufstellungen in Herstellerwerbung sollte man nicht ungeprüft glauben.
- Wegen der hohen Brandgefahr gilt grundsätzlich: kein unbeaufsichtigter Betrieb. Wenn der Betrieb zu aufwendig erscheint, kann ein lokaler Makerspace mit passenden Sicherheitsvorkehrungen die bessere Wahl sein.
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Einhausung und Notfallmaßnahmen
- Laser mit offenem Rahmen dürfen nicht unverändert verwendet werden und müssen unbedingt innerhalb einer Einhausung betrieben werden.
- Das gilt auch dann, wenn der Hersteller Fotos oder Videos der Nutzung in Wohnräumen zeigt.
- In Wohnbereichen sollte man sie besser nicht verwenden; Kinder und Haustiere müssen während des Betriebs vom Laser ferngehalten werden.
- Die Einhausung muss belüftet sein, und das Abluftsystem muss pro Minute ein Mehrfaches des Einhausungsvolumens plus die durch Air Assist eingebrachte Luftmenge bewältigen können.
- Die Abluft muss ohne Leckagen gefiltert und anschließend nach außen, weg von Gebäuden mit Personen, abgeführt werden.
- Falls es ein Sichtfenster gibt, muss es die Wellenlänge des verwendeten Lasers herausfiltern; Beobachtung per Kamera ist sicherer.
- Auch wenn der Hersteller behauptet, keine Belüftung sei nötig, braucht die Einhausung eine Belüftung.
- Die Einhausung benötigt Interlocks; wenn eine Tür geöffnet wird, muss die Maschine wie bei einem Not-Aus vollständig deaktiviert werden.
- Außen muss es einen Not-Aus-Schalter geben, der die Stromversorgung des gesamten Systems trennt.
- Wenn möglich, kann auch ein optischer Schutzzaun eingesetzt werden, der während des Betriebs eine nicht zugängliche Grenze schafft.
- Die Einhausung muss feuerfest konstruiert sein, und der Boden muss einem dauerhaften direkten Treffer standhalten, wenn der Laserkopf an der niedrigsten Position mit maximaler Leistung stillsteht und feuert.
- In der Nähe der Einhausung sind ein Feuerlöscher mit ausreichender Kapazität und ein Brandmeldesystem erforderlich.
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Zu vermeidende Materialien und Augenschutz
- Einige Materialien dürfen nicht geschnitten oder graviert werden.
- PVC darf unter keinen Umständen geschnitten oder graviert werden, da es Chlorwasserstoff bilden kann.
- Polycarbonat darf nicht geschnitten oder graviert werden, außer man kann in einer inerten Atmosphäre wie Stickstoff arbeiten.
- Leder wird wegen starker Gerüche und möglicher Gefahren nicht empfohlen; falls man es dennoch bearbeitet, sollte chromgegerbtes Material vermieden werden.
- Sichere Leistungsgrenzen hängen von der Wellenlänge ab, und Laserschäden können anfangs schwer zu bemerken sein, weil das Gehirn sie kompensiert.
- Hochwertige Schutzbrillen, passend zur Laserwellenlänge, müssen aus vertrauenswürdiger Quelle beschafft werden.
- Schutzbrillen ersetzen keine Einhausung und sollten in der Nähe eines eingeschalteten Lasers immer getragen werden.
- Nicht nur der direkte Strahl, auch reflektiertes Licht kann schwere Schäden verursachen.
- Sichtbare Laser im Bereich von 380 bis 750 nm, insbesondere günstige Diodenlaser, können die falsche Sicherheit vermitteln, der Strahl sei ungefährlich, weil man ihn sieht.
- Licht über 1 mW kann gefährlich sein.
- Sichtbare Strahlen können schwieriger zu blockieren sein und auch in andere Frequenzen lecken.
- Faserlaser mit 1064 nm IR können besonders gefährlich sein, weil das Auge das Licht fokussiert, aber kein Blinzel- oder Ausweichreflex ausgelöst wird.
- Ferninfrarotgeräte wie CO2-Laser haben unsichtbare Strahlen; das Auge kann verletzt werden, bevor man den Schaden bemerkt.
- Alle Laser, die mit ausreichender Leistung schneiden oder gravieren, müssen innerhalb einer Einhausung betrieben werden und sich automatisch abschalten, wenn die Einhausung geöffnet wird.
Die Rolle günstiger CNC-Laser
- CNC-Geräte sind seit den 1980er-Jahren stetig günstiger geworden, Lasercutter waren jedoch lange teuer, schwach, groß, schwer und stromhungrig.
- Inzwischen kann man funktionale CNC-Lasercutter und -Gravierer auch für unter 1.000 US-Dollar kaufen.
- Günstige Geräte können zwar nicht wie Industriemaschinen dicken Stahl durchtrennen, funktionieren aber gut beim Schneiden von Holz und verschiedenen anderen Materialien sowie beim Gravieren von Text und Bildern auf geeigneten Oberflächen.
- Lasercutter sind Werkzeuge der subtraktiven Fertigung, die unerwünschte Teile aus dem Material entfernen.
- Sie können tiefer schneiden als rotierende Messerplotter.
- Anders als Stanzwerkzeuge verursachen sie keine Einrichtungskosten.
- Sie sind im Vergleich zu Wasserstrahlschneidern relativ günstig, allerdings können Schnittkanten brennbarer Materialien leicht verkohlen.
- Anders als Plasmaschneider können sie auch nichtleitende Materialien schneiden.
- Anders als bei 3D-Druckern wird nicht der Großteil des Eingangsmaterials zum Produkt; 20 bis 30 % Ausschuss sind nicht ungewöhnlich.
Geschichte und Typen von Lasercuttern
- Lasercutter gibt es seit 1965, doch selbst Mitte der 1980er-Jahre waren sie so teuer, dass man sie in der Praxis selten sah.
- Frühe Laser mussten Materialien mit sehr hoher Energiedichte schneiden und dabei präzise Optik nutzen.
- Der Aufbau bestand aus einem Strahl aus einer wassergekühlten, gläsernen Quarzröhre, der durch den freien Raum über einen X-Achsen-Spiegel, einen Y-Achsen-Spiegel und eine Fokussierlinse auf das Material traf.
- Später kamen Faserlaser auf, die Solid-State-Laser und Faserverstärkerstufen nutzen und dank kleiner Spotgröße effizienteres Schneiden ermöglichen.
- Ein wichtiger Treiber des Preisrückgangs waren Diodenlaser aus der Halbleiterindustrie.
- Geräte, mit denen Hobbyanwender oder kleine Unternehmen am ehesten in Berührung kommen, sind Diodenlaser sowie kleinere und leichtere Geräte aus industriellen Produktlinien.
Spezifikationen, die vor dem Kauf zu prüfen sind
- Bei der Auswahl eines Lasercutters sollte man optische Leistung, Kopfkonstruktion, Wellenlänge, Arbeitsfläche, Air Assist, Genauigkeit, Schnittgeschwindigkeit, Einhausung und Lasertyp gemeinsam betrachten.
- Geräte am Markt werden meist in Asien hergestellt und unterscheiden sich stark bei Vorhandensein und Qualität der Einhausung sowie bei der Leistung.
- Günstige Diodenlaser können als praktische Werkzeuge dienen, sind aus Sicherheitssicht aber nicht unverändert verwendbar; realistischer ist es, sie als Kit oder Ausgangspunkt zu betrachten.
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Optische Leistung und Kopfkonstruktion
- Die Leistung eines Lasercutters sollte anhand der optischen Ausgangsleistung in W beurteilt werden.
- Manche Hersteller werben mit der elektrischen Eingangsleistung, wodurch Geräte stärker wirken, als sie tatsächlich sind.
- Hersteller günstiger Diodenlaser übertreiben mitunter selbst dann, wenn sie die optische Leistung angeben.
- Industrielle Röhren- oder Faserlaser im Kilowattbereich können etwa 10 mm Baustahl schneiden, ein Einsteiger-Diodenlaser der 40-W-Klasse ist jedoch nicht für das Schneiden von Metall geeignet.
- Mit einem 5-W-Laser lässt sich wenig schneiden, und wenn, dann nur langsam.
- Ein Diodenlaserkopf besteht aus einer oder mehreren Laserdioden, Spiegeln und Linsen zur Strahlkombination sowie einer Fokussierlinse.
- Bei gleicher Leistung gilt: Je weniger Dioden, desto kleiner der Spot und desto stärker die Leistungsdichte; die Dioden werden jedoch heißer und ihre Lebensdauer kann sinken.
- Starke Schneidköpfe haben in der Regel Lüfter; wenn ein Lüfter blockiert oder ausfällt, kann der Kopf schnell beschädigt werden.
- Höhere Leistung ermöglicht tiefere oder schnellere Schnitte und erlaubt auch Materialien zu schneiden, die zuvor nicht schneidbar waren.
- Ein Kopf mit sechs Dioden lieferte nicht die sechsfache, sondern nur etwa die drei- bis vierfache Leistung eines einzelnen 5-W-Diodenlasers und zeigte zudem mehr Spillover um die Schnittkante.
- Die Spotgröße wirkt sich direkt auf Schnittbreite und Overspill aus.
- Die Oberflächen-Kerf eines Diodenlasers kann etwa 0,4 mm betragen.
- Für Presspassungen kann eine Korrektur von etwa 0,1 mm genug Reibung erzeugen, um ohne Klebstoff auszukommen.
- Ein nomineller 30-W-Kopf konnte 18 mm Weichholz und Sperrholz auf Weichholzbasis schneiden, unter guten Bedingungen mit etwa 250 mm/min.
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Gebrauchte Industriemaschinen als Alternative
- Wer mit geschäftlicher Absicht startet, kann auch gebrauchte industrielle Faser- oder CO2-Geräte als Alternative in Betracht ziehen.
- Industriemaschinen sind keine Hobbygeräte; sie sind schwer, groß und verbrauchen viel Strom, übertreffen Hobbygeräte beim Durchsatz aber deutlich.
- Die Bewertung gebrauchter Geräte erfordert Fachwissen, und Ersatzteile sowie Service können teuer sein.
- Es kann sinnvoll sein, zunächst mit einem günstigen Diodenlaser Design und Erfahrung aufzubauen und industrielle Geräte langfristig als bessere Investition zu betrachten.
Wellenlänge, Arbeitsbereich, Luft, Genauigkeit
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Eigenschaften nach Wellenlänge
- Die Laserwellenlänge ist die Eigenschaft, die die Farbe definiert; Diodenlaser liegen normalerweise im violetten bis blauen sichtbaren Bereich von 400–470 nm
- Manche Materialien absorbieren diese Wellenlänge gut, andere reflektieren sie, sodass der Großteil der Leistung nicht vom Werkstück aufgenommen wird
- Längere Wellenlängen eignen sich tendenziell besser für schwierige Materialien wie Metalle, aber es gibt keine Diodenlaser, die Metall zuverlässig oder in sinnvoller Dicke schneiden können
- Faserlaser liegen normalerweise im Infrarot- bis Ferninfrarotbereich von 780–2200 nm und eignen sich zum Schneiden von Metall
- CO2-Laser arbeiten mit 9,3–10,6 µm und verwenden damit eine deutlich längere Wellenlänge als Faser- oder Diodenlaser
- Diodenbasierte Laser im sichtbaren Bereich sind in mancher Hinsicht gefährlicher als industrielle IR-Laser
- Sie werden meist ohne Einhausung geliefert
- Es gibt keinen Interlock, der den Laser abschaltet, wenn der Nutzer ins Innere greift
- Ein sichtbarer Strahl ist schwer abzuschirmen und kann in andere Spektralbereiche austreten
- Wenn ein Infrarotkopf verwendet wird, braucht das Gerät einen sichtbaren Pilotlaser, damit die Position des Strahls erkennbar ist
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Arbeitsbereich
- Ein großer Arbeitsbereich ermöglicht größere Teile und längere Jobs und kann durch Nesting Abfall reduzieren
- Das Beispielgerät nutzt einen Arbeitsbereich von 61×61 cm, eine Maschinengröße von 70×80 cm und eine Einhausung von 1 m×84 cm bei über 1 m Höhe
- Den gesamten Arbeitsbereich zu 100 % zu nutzen, ist schwierig
- Durch Vorrichtungen, Endstops, Framing und die Vermeidung von Schnitten in der Luft nahe den Kanten geht ein Teil des Bereichs verloren
- Eine Achse lässt sich oft fast vollständig nutzen, während man auf der anderen häufig an den Seiten etwas verliert
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Air Assist
- Bei einem Schneidgerät ist Air Assist nahezu unverzichtbar
- Für Geräte mit 20–40 W werden üblicherweise etwa 10–15 l/min verwendet
- Air Assist entfernt Materialpartikel, die der Laser bereits getroffen hat, und ermöglicht so tiefere Schnitte
- Zu viel Luft kann kontraproduktiv sein, weil das Werkstück schneller abkühlt, als der Laser es erwärmt
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Genauigkeit und Geschwindigkeit
- Ein typischer Lasercutter kann eine Genauigkeit von etwa 0,1 mm erreichen, was in dieser Preisklasse sehr hoch ist
- Die Wiederholgenauigkeit hängt davon ab, wie Motoren Gantry und Kopf antreiben
- Üblicherweise gleitet der Aufbau auf Lagern und wird über Riemen und Motorzahnräder bewegt
- Die Motoren sind meist Stepper und keine Servos; gehen Schritte verloren, kann das Werkstück sofort unbrauchbar werden
- Da es keine Werkzeug-Gegenkräfte gibt, können Schrittverluste weniger problematisch sein als bei einer Fräsmaschine
- Die Maschine muss rechtwinklig montiert und waagerecht aufgestellt sein, damit Schnitttiefe und Eindringtiefe über die gesamte Arbeitsfläche hinweg konstant bleiben
- Die Schnittgeschwindigkeit wird vor allem durch die Leistung des Laserkopfs begrenzt; die Verfahrgeschwindigkeit wird vom Gewicht der Gantry in Y-Richtung und des Kopfs in X-Richtung, der Größe der Schrittmotoren, der Stabilität der Stromversorgung und der Reibung beeinflusst
Installation und Steuerungssoftware
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Installationsanforderungen
- Ein Lasercutter muss zwingend in einer Einhausung installiert werden
- Der Schneidprozess ist nicht sauber und erzeugt teils viel Rauch, der beim Einatmen sehr schädlich sein kann
- Geräte mit Air Assist benötigen saubere Ansaugluft, um Verschmutzungen der Optik zu reduzieren
- Das Fenster der Einhausung sollte den Blick ins Innere ermöglichen, aber einen großen Teil des Laserlichts blockieren
- Der Bereich unter der Arbeitsfläche muss feuerfest aufgebaut sein, und es muss eine Möglichkeit geben, einen echten Brand zu löschen
- In Notfällen muss die Stromversorgung schnell getrennt werden können, selbst wenn dabei das Werkstück verloren geht; dafür kann ein großer roter Pilzschalter oder eine Steckdosenleiste mit Schalter verwendet werden
- Das Schneiden von PVC ist wegen giftiger Gase, Korrosion sowie Verletzungs- und Todesgefahr strikt verboten
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G-Code und Steuerungssoftware
- Die meisten Laser kommunizieren mit dem Host-Computer über Serial-over-USB, die Steuersprache ist G-Code
- G-Code wird verbreitet zur Steuerung von Fertigungsmaschinen wie Drehmaschinen, Fräsmaschinen, Lasercuttern und Koordinatenbohrmaschinen eingesetzt
- G-Code direkt zu schreiben ist umständlich, daher nutzt man normalerweise Designsoftware zusammen mit Software zur Umwandlung in G-Code
- Beispiele für Consumer-Software sind:
- LightBurn: unterstützt Linux und Kameras über dem Bett
- LaserGRBL
- OpenBuilds
- LaserWeb
- Es gibt eine Mischung aus kostenlosen und kommerziellen Produkten; auswählen sollte man nach Workflow, Unterstützung von Dateiformaten, Importfehlern sowie Tests nach Material und Dicke
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Schnittkorrekturen, die Software übersieht
- Die geprüfte Laser-Driver-Software ließ einige Praxiserfahrungen aus und hatte auch subtile Bugs
- Radiuskorrektur ist eine Funktion, die den Pfad um die halbe Strahlbreite verschiebt, um die Genauigkeit zu erhöhen
- Außenkurven müssen nach außen, Innenkurven nach innen korrigiert werden
- Software kann jedoch innen und außen verwechseln
- Richtig wäre ein Offset in Richtung Ausschuss, aber die Eingabedatei enthält nicht unbedingt Informationen darüber, was Ausschuss ist
- Beim Durchtrennen dicker Materialien wird eine Methode verwendet, bei der man im Ausschussbereich beginnt, sich spiralförmig zur Werkstückkante vorarbeitet und den Laser das Werkstück immer in Bewegung treffen lässt
- Ist der Spot asymmetrisch, muss je nach Richtung langsamer geschnitten werden, um gleichmäßige Ergebnisse zu erzielen
- Da die meisten Programme keine richtungsabhängige Geschwindigkeitssteuerung beherrschen, reduziert man auf die niedrigste Geschwindigkeit, die in allen Richtungen ein Durchtrennen ermöglicht
- In diesem Fall wird die Schnittgeschwindigkeit langsamer, und auf einer Achse kann Genauigkeit verloren gehen
Designwerkzeuge und Dateiformate
- Um Material zu schneiden, braucht man zuerst ein Design; man kann es selbst erstellen, kaufen oder vorhandene Designs bzw. Artworks anpassen
- Es gibt auch kostenlose Generatoren für Lasercutter-Designs, die automatisch maßgeschneiderte Muster erzeugen
- Das passende Designwerkzeug hängt von der eigenen Arbeitsweise ab
- Wer künstlerisch arbeitet, nutzt eher ein Zeichenprogramm
- Ingenieure eher CAD
- Für Programmierer können Parametric-Design-Tools passend sein
- Beispielwerkzeuge
- Interactive CAD: Tinkercad, Rhino, Blender, AutoCad, Sketchup
- Drawing: Gimp, Inkscape, PhotoShop, Illustrator
- Parametric CAD: SOLVESPACE, OpenSCAD
- Als Zwischenformate für den Schnitt werden häufig SVG, DXF, JPG verwendet
- Entscheidend ist, ob die Laser-Driver-Software das von der Designsoftware exportierte Format ohne Konvertierung korrekt importieren kann
- Designressourcen
- boxes.py: bietet parametrische Generatoren nicht nur für Boxen, sondern auch für viele andere Objekte
- Etsy: Es gibt viele kostenpflichtige Designs, aber man sollte auf weiterverkaufte Original- oder Gratisdesigns achten
- MakerCase: einfacher Box-Generator
- Gear designer
- Liste von Design-Repositories auf Reddit
Eignung nach Material und Tests
- Die Ergebnisse beim Schneiden und Gravieren können je nach Maschinenleistung, Verfahrgeschwindigkeit, Zustand der Optik und Materialzustand stark variieren – von hervorragend bis unbrauchbar
- Neue Materialien sollten nicht geschnitten werden, wenn man sich nicht zu 100 % sicher ist, dass sie sicher sind; zuerst sollten Sicherheitsdatenblätter und Recherchen genutzt werden, um Nutzen und Risiken eines Versuchs zu prüfen
- Software wie LightBurn bietet Funktionen für Material-Testcoupons, und die meisten Lasertreiber unterstützen ähnliche Funktionen
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Holz
- Holz ist ein gutes Material für das Laserschneiden
- Laser mittlerer Leistung können Holz von einigen Millimetern Dicke relativ leicht schneiden; bei niedrigerer Leistung geht es langsamer und es kommt eher zu Verkohlungen
- Diodenlaser schneiden auch dickeres Weichholz gut, haben aber Schwierigkeiten mit dichtem Hardwood
- Bei engineered wood verdampft der Klebstoff mit, daher muss die Rauchabsaugung verantwortungsvoller gehandhabt werden
- Wenn dunkle Schnittkanten unerwünscht sind, kann man das Werkstück etwa 0,1 mm größer anlegen und anschließend schleifen
- Geschnittenes Holz kann lange nach Brand riechen
- Das lässt sich durch Schleifen, Lackieren, Klarlack oder leichtes Sandblasting reduzieren
- Bis der Geruch verschwindet, können im Extremfall mehrere Monate vergehen
- Sperrholz verwendet unterschiedliche Klebstoffarten; dünne schwarze Linien zwischen den Ply-Lagen können auf Phenolharz hindeuten und das Schneiden erschweren
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Holztests mit einem nominellen 30-W-Cutter
- Birkensperrholz
- 2,6 mm: 60 % Leistung, 700 mm/min, 1 Durchgang
- 4,1 mm/5,5 mm: 60 % Leistung, 450 mm/min, 1 Durchgang
- 7,8 mm: 60 % Leistung, 200 mm/min, 1 Durchgang
- 11,8 mm: 60 % Leistung, 150 mm/min, 1 Durchgang
- 18 mm: 80 % Leistung, 300 mm/min, 3 Durchgänge
- MDF
- 3,2 mm coated: 80 % Leistung, 500 mm/min, 1 Durchgang
- 9 mm: 80 % Leistung, 200 mm/min, 1 Durchgang
- Hardwood ply
- 3,7 mm: 70 % Leistung, 200 mm/min, 1 Durchgang, kein sauberer Schnitt
- 3,7 mm: 50 % Leistung, 600 mm/min, 4 Durchgänge, sauberer, aber etwas mehr Verkohlung auf der Oberseite
- Dickeres Hardwood ply liefert sehr schlechte Ergebnisse und ist nicht brauchbar
- Hardboard
- 3,4 mm: 60 % Leistung, 450 mm/min, 1 Durchgang
- Birkensperrholz
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Papier, Textilien, Leder
- Papier und Wellpappe lassen sich gut schneiden; hohe Schnittgeschwindigkeiten sind möglich
- Air Assist kann das Material wegblasen und sollte daher ausgeschaltet werden
- Bei zu langsamer Geschwindigkeit verkohlen die Kanten stark
- Es kann auch möglich sein, mehrere Lagen auf einmal zu schneiden
- 5,7 mm dreilagige Verpackungs-Wellpappe wurde mit 60 % Leistung, 1000 mm/min und 1 Durchgang geschnitten
- Organische Fasern funktionieren im Allgemeinen gut, synthetische Fasern können jedoch schmelzen, nicht sauber geschnitten werden und sich schwer vom Bett lösen lassen
- Das Schneiden und Gravieren von Leder wird nicht empfohlen
- Die Ergebnisse sehen nicht besonders gut aus, und der Geruch ist sehr stark
- Chromgegerbtes Leder kann sehr giftige Dämpfe freisetzen
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Metalle und Oberflächengravur
- Metall mit einem Diodenlaser zu schneiden funktioniert in der Regel nicht gut, sofern das Metall nicht extrem dünn ist
- Mit einem 455-nm-Laserkopf scheiterten alle Metallschneideversuche; das beste Ergebnis war eine leichte Verfärbung von Edelstahl bei maximaler Leistung
- Für das Schneiden von Metall eignen sich Fiber-Laser im kW-Bereich, sie sind jedoch teuer, große Maschinen, benötigen Drehstrom und können in Wohngebieten wegen Metalldämpfen genehmigungspflichtig sein
- Eloxiertes Aluminium lässt sich gut gravieren
- Dabei wird die Oberflächenschicht verdampft und das blanke Metall darunter freigelegt
- Edelstahl zu schneiden ist mit Diodensystemen schwierig, Gravieren kann jedoch möglich sein
- Wenn man Dykem Red engineering marking fluid aufsprüht, graviert und anschließend mit IPA abwischt, bleibt eine rote dauerhafte Markierung zurück
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Kunststoffe, Polycarbonat und Sonstiges
- Acryl wurde noch nicht getestet
- Polycarbonat lässt sich mit günstigen Diodenlasern und luftbasierten Systemen nicht sicher schneiden
- Die meisten Kunststoffe und PVC sollten nicht mit dem Laser geschnitten werden
- Sie können sehr giftige Dämpfe freisetzen
- Das Werkstück kann am Bett kleben bleiben oder Feuer fangen
- Stein und Keramik sollen demnächst getestet werden
- Delrin/Acetal ist teuer und wurde noch nicht getestet; als zugehöriger Hackaday-Artikel wird Drawbacks of Lased Delrin and How to Slip Around Them genannt
Praxistipps und Wartung
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Dicke Materialien schneiden
- Dicke Materialien in mehreren Durchgängen zu schneiden bringt ab mehr als 2–3 Durchgängen nur noch wenig
- In der Schnittfuge streut der Strahl, sodass in der Tiefe kaum noch Leistung ankommt
- Er trifft dann eher die Seitenwände als den Boden
- Wenn man das Material umdreht und das gespiegelte Muster von der Gegenseite schneidet, lässt sich die erreichbare Schnitttiefe faktisch verdoppeln
- Die Ausrichtung kann mit Pilotbohrungen und Fixtures unterstützt werden
- Wenn man zwei oder mehr Pins einsetzt, deren Positionen beim Umdrehen vertauscht werden, lässt sich die Ausrichtung beibehalten
- Beim zweiten Durchgang muss das Muster gespiegelt werden
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Laminierung
- Wenn man aus dünnem Holz mehrere Lagen desselben Musters schneidet und sie unter Druck verklebt, kann man Werkstücke herstellen, die dicker sind, als die Maschine direkt erzeugen könnte
- Durch Stapeln dünner Teile lassen sich Komponenten wie Hardwood gears herstellen
- Wenn man die Schichten absichtlich versetzt oder dreht oder in eine Richtung slict und anschließend verklebt, lassen sich 3D-Effekte erzielen
- Zusätzliche registration holes und hardwood dowels können die Ausrichtung der Schichten, Festigkeit und Präzision verbessern
- Die dowels sollten etwas kürzer als die Gesamtdicke sein, damit beim Verkleben ausreichend Druck ausgeübt werden kann
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Luft- und Optikpflege
- Die mitgelieferte air pump kann schwach sein; ein Einsteiger-shop compressor kann besser sein
- Die Luft muss trocken und ölfrei sein
- Man sollte den Druck nicht übermäßig erhöhen, damit sich keine Schläuche lösen oder die Optik beschädigt wird
- Typische Laserköpfe können etwa 10–30 L/min Luft nutzen
- Für jede Kombination aus cutter/material/power gibt es eine optimale Luftmenge
- Zu viel Luft kühlt das Material zu stark, zu wenig entfernt die Schnittreste nicht ausreichend
- Schon nach wenigen Stunden Arbeit kann Linsenverschmutzung die Schneidleistung verringern
- Vor großen Jobs sollte man die Optik reinigen; das dauert meist weniger als 5 Minuten
- Wenn die Linse nicht regelmäßig gereinigt wird, können Rauchablagerungen mit dem Glas verschmelzen und dauerhafte Schäden verursachen
- In schweren Fällen können Ablagerungen zu ungleichmäßiger Erwärmung und Abkühlung führen, wodurch die Linse brechen kann
- Die Linse wird mit einem Linsenreinigungstuch gereinigt; bei starker Verschmutzung kann Alkohol verwendet werden, als letztes Mittel Aceton
- Vor dem Zusammenbau muss die Linse vollständig sauber und trocken sein
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Materialfixierung und weniger Verkohlung
- Leichte Materialien können durch Air Assist oder Erschütterungen des Enclosures verrutschen; schon kleine Bewegungen können das Werkstück ruinieren
- Mit Vorrichtungen wie 3D-gedruckten tie-down pins lässt sich das Material am Bett fixieren, wodurch auch der Fokus konstant bleibt
- Wenn der air hose geknickt ist, die Düse durch Kohlenstoffablagerungen verstopft ist oder der Pumpeneinlass blockiert ist, kann der Luftstrom sinken oder ganz ausfallen
- Fehlt der O-Ring an der Düse, kann Luft nach oben statt nach unten entweichen
- Wenn die Oberflächenqualität wichtig ist, kann man painter’s tape oder transfer tape aufbringen, sodass die Verkohlung auf dem Tape bleibt
- Bei Materialien, die sich nicht direkt gravieren lassen, können entfernte Bereiche des transfer tape als Stencil zum Sprühen genutzt werden
- Bei reflektierenden Oberflächen kann ein matter coating helfen, Energie zu absorbieren, und so beim Schneiden oder Gravieren unterstützen
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Prüfung von Riemen und Schrauben
- Die Riemen eines Diodenlaser-Cutters dehnen sich mit der Zeit und können durchrutschen, daher sollten sie regelmäßig nachgespannt werden
- Besonders die Riemen, die das Gantry bewegen, sind eine Prüfung wert, weil sie ständig Gewicht hin- und herbewegen
- Wenn am Anfang einer Bewegung in Y-Richtung ein kleiner vertikaler Squiggle sichtbar ist, kann das auf Overshoot oder Undershoot hindeuten
- Wenn sich eine set screw löst, können Verschleiß und Spiel an der Achse zunehmen; sie sollte daher alle paar Monate oder bei Verdacht auf Probleme geprüft werden
Online-Ressourcen
- r/lasercutting
- Lasersaur
- The Guerilla Guide to CNC
- Makeables-Ressourcenliste
- 3axis.co
- Ameede
- Taylor Alexanders Leitfaden für großformatige Laser-Cutter für Textilien ist ein interessantes und günstiges Experiment, aber wegen fehlender Sicherheitsvorrichtungen und unzureichender Rauchabsaugung ziemlich gefährlich
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
Für Interessierte: Ich habe einen großformatigen Lasercutter mit 60×78 Zoll entworfen, der auf das Zuschneiden von Stoff für Näharbeiten ausgelegt ist. Es ist ein extrem günstiges Design, das sich für ein paar hundert Dollar bauen lässt; das Gantry ist zerlegbar, und das Bett besteht aus dünnem Sperrholz, sodass es in einer Wohnung kaum zusätzlichen Platz einnimmt, wenn man es bei Nichtgebrauch mit einem Teppich abdeckt.
Das Konzept funktioniert, aber bei mir hakt das Gantry etwas und verliert dabei Schritte, daher braucht es noch Verbesserungen. Ich habe das Projekt inzwischen faktisch aufgegeben, hoffe aber, dass es als Inspiration für spätere Versionen dienen kann: https://github.com/tlalexander/large_format_laser_cutter
Das YouTube-Video habe ich letztlich nicht fertiggestellt, aber es gibt ein unvollständiges Video ohne Voice-over und ohne den letzten Feinschliff, das den Betrieb des Systems und zusätzliche Details zeigt: https://github.com/tlalexander/large_format_laser_cutter/iss...
Besonders interessant ist, dass das Design einen musterbasierten Scanner auf Raspberry-Pi-Basis enthält, mit dem man Kleidung scannen und duplizieren oder Papier-Schnittmuster zum Nähen einscannen und anschließend in Inkscape manuell weiterbearbeiten kann
Ich stimme der Aussage nicht zu, dass „Diodenlaser sicherer für ungeschulte Personen sind, weil man den Strahl sehen kann“. Sowohl Dioden- als auch Röhrenlaser können sofort zur Erblindung führen.
Diodenlaser liegen im sichtbaren Bereich, daher braucht man spezielles Abschirmmaterial, das genau dieses sichtbare Spektrum blockiert; dadurch sind sie eher schwieriger abzuschirmen. Außerdem gibt es viele Produkte, die in anderen Frequenzen lecken, was es noch komplizierter macht.
CO2-Röhren sind dagegen einfacher. Es gibt gängige Kunststoffe, die sichtbares Licht durchlassen, aber die von CO2-Röhren erzeugte Infrarot-Wellenlänge blockieren, wodurch die Auswahl von Abschirmmaterial viel leichter wird.
Man sollte keinen Schneidlaser ohne Einhausung und Schutzbrille betreiben, und das ist bei CO2-Lasern deutlich einfacher umzusetzen
Polycarbonat-Schutzbrillen haben bei 10.6μm eine sehr hohe optische Dichte und sind damit geeignete Schutzausrüstung.
Bei sichtbaren Diodenlasern ist die Situation deutlich schlimmer. Die Leistung ist meist geringer, aber selbst diffuse Reflexionen können noch eine für die Netzhaut gefährliche Leistungsdichte erzeugen. Das Gehirn kann solche Schäden gut kaschieren, sodass man sie womöglich erst bemerkt, wenn es zu spät ist.
1.064μm-Faserlaser vereinen das Schlechteste aus beiden Welten. Sie haben sehr hohe Leistung, sind unsichtbar, sodass man weder erkennt, wie viel Streulicht austritt, noch ob man gerade eine Reflexion ansieht, und Schutzbrillen sind teuer und schwer zu verifizieren.
Ich arbeite gern mit Hochleistungslasern, aber im Nachhinein bin ich froh, dass ich viel Lasersicherheitstraining absolvieren musste, bevor ich meine erste große Laserquelle gekauft habe
Ich habe den Artikel mit einer besseren Formulierung aktualisiert und diesen Kommentar auch als Referenz hinzugefügt. Ich wäre sehr dankbar, wenn du schauen könntest, ob noch weitere Korrekturen nötig sind
Gleichzeitig ist es aber nützlich, die Strahlposition sehen zu können, daher wäre ein Ansatz, dem Schneidstrahl einen schwachen roten oder grünen Laser zuzumischen. Das lässt sich sogar recht einfach umsetzen, etwa indem man eine einzelne Glasfaser direkt neben dem eigentlichen Schneidkopf befestigt
Für Laser zum Schneiden in dieser Leistungsklasse ist das natürlich nicht relevant
Im Text ist von Genauigkeit die Rede, aber das betrifft die Positionsgenauigkeit; die Wiederholgenauigkeit wird nicht behandelt. Ohne Wiederholgenauigkeit ist Genauigkeit meist weitgehend nutzlos.
Oft werden außerdem nur Werte für die unidirektionale Genauigkeit angegeben; diese berücksichtigen das Umkehrspiel bei der Positionierung nicht und erst recht nicht die Wiederholgenauigkeit.
Man kann grob so darüber denken: Unidirektionale Genauigkeit ist, wo man ankommt, wenn man von 0 eine bestimmte Position anfährt; bidirektionale Genauigkeit ist, wo man ankommt, wenn man von 0 zu einer Position fährt und dann eine Position in der Gegenrichtung anfährt; Wiederholgenauigkeit ist, wenn man von 0 wegfährt, wieder zu 0 zurückkehrt und das mehrfach wiederholt und die Ergebnisse vergleicht.
Betrachtet man nur die in eine Richtung angefahrene Position von 0 aus, ist es gut möglich, dass die Genauigkeit unter 0,1 mm liegt.
Aber ob das wiederholt zutrifft, hängt nicht nur von der Antriebsart ab; es fehlt auch die Frage, was angetrieben wird. Man muss sehen, ob es eine Trapezgewindespindel, eine Kugelumlaufspindel, ein Zahnstangen-Ritzel-Antrieb ist oder gar nichts davon.
Wenn gar nichts davon vorhanden ist, dann führen sowohl ein Schrittmotor allein als auch die Kombination aus Schrittmotor und Riemen über Umkehrspiel zu aufsummierten Fehlern, wodurch es Probleme mit der Wiederholgenauigkeit gibt.
Mit dem richtigen Riemen oder Getriebe usw. lässt sich das Umkehrspiel stark verringern. Aber selbst in dieser Preisklasse scheint es für wirklich brauchbare Genauigkeit Mechanismen zu brauchen, die Wiederholgenauigkeit gewährleisten, etwa schräge Zahnstange mit Ritzel oder Kugelumlaufspindel.
Außerdem war ich davon ausgegangen, dass Genauigkeit relativ zu einem festen Bezugspunkt angegeben wird und dass alle beschriebenen Szenarien der Wiederholgenauigkeit zu einem einzigen schlechtesten Wert zusammengefasst würden, also einem Wert, den der Fehler nicht überschreitet.
Heißt geringe Genauigkeit, aber hohe Wiederholgenauigkeit, dass das Ergebnis konzeptionell gut sein kann und nur einen konstanten Offset hat? Oder bedeutet es, dass es auf einer kleineren Skala als der angegebenen Genauigkeit unruhige Kanten, Artefakte sowie zu wenig oder zu stark geschnittene Bereiche gibt, etwa an Ecken, an denen Schnittlinien zusammentreffen, die von unterschiedlichen Seiten angefahren wurden?
Allerdings sind das eher Probleme, die eine Stufe später relevant werden. Laser und 3D-Drucker haben leichte Werkzeugköpfe und fast keinen Widerstand, sodass man auch mit ziemlich schlampiger Schrittmotorsteuerung noch Ergebnisse erzielen kann.
Das ist nicht falsch. Aber wer mit CNC anfängt, muss ohnehin eine riesige Menge lernen. Eine günstige Maschine zu kaufen, sie zu verstehen, daran herumzuspielen und die Wiederholgenauigkeit zu verbessern, ist selbst eine Art, Fähigkeiten aufzubauen. Aus Sicht des DIY-Hobbys ist das ganz natürlich.
Auch ohne eine gute Maschine kann man mit einer Toolchain wie Fusion 360 oder OpenSCAD Ergebnisse erzeugen.
Wenn genug Geld da ist, kann man sich viel von diesem Leid bei der Maschinentuning sparen, und Profi-Ausrüstung ist wirklich fast magisch. Ich bin eher der Typ, der erst einmal herumprobiert und lernt und, wenn es dann spannend aussieht, die Ausgaben für das Hobby verzehnfacht.
Wer mit einem Lasercutter ein Geschäft aufbauen will, muss die hier behandelten Dinge kennen. Für Hobby-Nutzer gilt zuerst, dass sie nicht an den giftigen Gasen aus gegerbtem Leder sterben sollten, und dass sie entscheiden müssen, ob sie Dinge herstellen oder an der Maschine herumschrauben wollen. Beides ist völlig legitim.
Der Punkt ist: Ich stimme all diesen Hinweisen zu. Es ist gut, auf die Mühen hinzuweisen, die man mit günstigen Maschinen haben wird. Aber auch billige Maschinen können völlig ausreichend Spaß machen, und am Ende hängt alles davon ab, was man will.
Man könnte so etwas an eine vorhandene Maschine nachrüsten, aber am Ende würde es wahrscheinlich mehr kosten als die ursprüngliche Maschine, und die Verbesserung wäre womöglich kaum sichtbar. Man könnte auch Servos, Fokuskorrektur und eine verfahrbare Z-Achse hinzufügen, aber dann ist man nicht mehr in der Hobby-Preisklasse.
Diese Aluminium-Maschinen mit offenem Rahmen sind nicht für den industriellen Einsatz gedacht, also sollten auch die Erwartungen niedriger sein. Nicht einmal die Wärmeausdehnung des Rahmens wird kompensiert.
Die Qualität der Riemen ist normalerweise ziemlich gut. Entgegen der Behauptung summieren sich bei Riemenantrieben keine Umkehrspielfehler auf. Es gibt zwar Umkehrspiel, aber solange keine Schritte verloren gehen, bleibt es im Allgemeinen konstant, und normalerweise sollten keine Schritte verloren gehen. Durch Kevlar-Anteile werden Dehnungsprobleme, die bei billigeren Riemen auftreten können, ebenfalls stark reduziert.
Das Portal wird entweder von zwei Schrittmotoren bewegt, oder es gibt eine Querwelle, die auf der Gegenseite ein passives Getriebe antreibt. Perfekt ist das nicht; bei langer Achse kann es zu Verwindungen kommen, und bei schnellen Bewegungen kann eine Seite leicht hinterherhinken oder beim abrupten Stopp Überschwingen zeigen.
Trotzdem habe ich selbst bei sehr hohen Geschwindigkeiten und nach Hunderten Wiederholungen noch kein Umkehrspiel oder Spiel gesehen, das ich mit meinen aktuellen Werkzeugen erkennen oder messen könnte. Mit einem guten Mikrometer sehe ich nach Hunderten Metern Verfahrweg und anschließendem Stillstand Positionsfehler von unter 0,1 mm, und auch der Positionsfehler zwischen dem Ursprung und einem beliebigen Punkt der Maschine lag innerhalb der Toleranz.
Was tatsächlich auffällt, ist, dass die Maschine wegen der offenen Rahmenkonstruktion ab Werk nicht rechtwinklig ist und man einiges an Zeit investieren muss, um sie sauber auszurichten.
Ich habe kein Interferometer, würde aber Messungen damit durchführen, wenn ich eines leihen könnte. Schon die einfachen Tests jetzt zeigen, dass die Maschine brauchbar genug ist und eine gute Maßhaltigkeit bietet, sodass es kaum einen Grund gibt, Laserschneidarbeiten an einen professionellen Dienstleister auszulagern.
Beim Schneiden von Metall sieht es natürlich anders aus, aber so etwas macht man mit einem Diodenlaser ohnehin nicht. Auch beim Schneiden von Plattenmaterial gelten für große Werkstücke andere Toleranzen als bei Fräsmaschine oder Drehbank. Man wird mit so einer Maschine weder eine Presspassungswelle herstellen noch Zahnräder mit 1-mm-Zähnen schneiden.
Wenn man solche Präzision braucht, ist dieses Werkzeug nicht das richtige, und Laserschneiden selbst ist dann ebenfalls nicht das passende Verfahren. Wenn man bei Blech diese Präzision will, sollte man fräsen oder per fotochemischem Verfahren eine Maske herstellen und dann ätzen.
Für Arbeiten mit Holz, Wellpappe und Textilien reicht die Präzision, die diese günstigen Maschinen bieten, vollkommen aus.
Im Text fehlen einige Sicherheitshinweise.
Man sollte Laserschutzbrillen für die jeweilige Laserwellenlänge von einer vertrauenswürdigen Quelle kaufen und sie immer tragen, solange die Maschine eingeschaltet ist.
Außerdem braucht man eine Möglichkeit, die Stromversorgung des Lasers im Brandfall schnell und einfach zu unterbrechen. Das kann ein Not-Aus-Schalter sein oder eine Steckdose mit Schalter.
Und PVC darf man niemals schneiden. Dabei entsteht Chlorgas, das Verletzungen verursachen oder tödlich sein kann; andernfalls korrodiert es die Maschine.
Zusätzlich sollte man versuchen, Sperrholz mit Phenolharz nicht zu schneiden. Wie gefährlich der Rauch und die Rückstände genau sind, ist unklar, aber die Hauptgefahr dürfte Formaldehyd sein, und vor allem lässt sich Phenolharz nicht gut schneiden. Zumindest bei CO2-Lasern ist das so; ob Diodenlaser damit besser zurechtkommen, weiß ich nicht.
Für mich funktioniert es gut, die Kanten des Sperrholzes anzusehen. Wenn man zwischen den Lagen dünne schwarze Linien sieht, ist es wahrscheinlich Phenolharz, und beim Schneiden wird alles von Ruß überzogen.
Als ergänzendes Material zu dieser hervorragenden Zusammenfassung zum Laserschneiden empfehle ich den Guerrilla Guide to CNC: https://lcamtuf.coredump.cx/gcnc/
Das war bisher die beste Referenz zu CNC/3D-Druck für Kleinserienfertigung, die ich gelesen habe. Wenn dir der Originalartikel gefallen hat, wirst du daran wahrscheinlich auch Freude haben.
Der Raum muss unbedingt richtig belüftet werden
https://www.theregister.com/2017/01/30/berkeley_maker_couple...
Kam mir bekannt vor: https://news.ycombinator.com/item?id=13507734
Am Ende stellte sich heraus, dass es eine CO2-Vergiftung war.
Das am schwersten zu ignorierende Problem beim Laserschneiden ist der Geruch. Wenn man zum Beispiel Weihnachtsschmuck schneidet, bleibt dieser beißende Geruch von verbranntem Holz fast ewig hängen.
Wenn irgendwo lasergeschnittene Holzteile sind, ist das der erste Geruch, den man beim Betreten des Raums bemerkt. Gibt es dafür einen guten Trick?
Ich bin besonders empfindlich gegenüber Brandgeruch, daher war das anfangs wirklich ein Problem.
Als Lösung kann man die Teile etwas größer machen und dann die verkohlten Kanten abschleifen, oder Lack bzw. Farbe auftragen, damit das verkohlte Holz keinen Geruch mehr abgibt, oder die Teile leicht sandstrahlen. Allerdings haften Lack und Farbe auf verkohlten Kanten nicht besonders gut.
Außerdem habe ich den Abluftventilator aufgerüstet, damit nichts in den Raum gelangt. Ich verwende einen DC-Lüfter mit variabler Drehzahl und lasse ihn nach dem Schneiden geruchsintensiver Materialien auf niedriger Stufe weiterlaufen, damit der Geruch nach draußen abgeführt wird.
Das Geruchsproblem war am schlimmsten, wenn ich günstiges Holz von Home Depot verwendet habe. Als ich auf echtes Baltic Birch Plywood umgestiegen bin, war der Geruch schwächer, daher vermute ich, dass im vorherigen Material Chemikalien waren.
Acryl riecht auch, aber der Geruch verfliegt schnell.
Air Assist macht ebenfalls einen großen Unterschied, und auch eine Laserquelle mit gutem Fokus und hoher Strahlqualität ist wichtig. Wenn das alles nicht reicht, kann man eine Versiegelung mit Schellack oder Polyurethan probieren.
In den letzten Jahren wächst dieser Bereich, besonders Lasertexturierung mit Femtosekundenlasern. Was vor zehn Jahren noch Laborlaser waren, wird heute auf die Gantry standardmäßiger CNC-Maschinen montiert.
Leider scheint es im Markt für hochwertige Laser-CNC-Maschinen an Software zu fehlen, und auch die Trennung von CAM-Programmierung und Ausführung, wie man sie von Fräsmaschinen kennt, gibt es nicht.
Es gibt kein Äquivalent zu G-code, das man in beliebiger Software erzeugen und auf verschiedenen Maschinen ausführen kann. Aufgrund der Verarbeitungsweise ist das teils gar nicht möglich, weil man damit sehr schnell auch große RAM-Kapazitäten überschreiten würde.
Wenn man CNC-Laserschneiden gewerblich betreibt und große CO2-Lasercutter nutzt, gibt man viel Geld dafür aus, ständig die CO2-Laserröhren zu ersetzen. Selbst wenn die Röhren an sich in Ordnung sind, verschlechtert sich das Gas bei intensiver Nutzung.
Warum man nicht einfach nur das Gas nachfüllen kann: Die genaue Gasmischung zur Herstellung stabiler und zuverlässiger Laserröhren wurde vor langer Zeit monopolisiert.
Wegen dieses einen Geschäftsgeheimnisses landen unzählige Röhren im Müll und es werden weit mehr hergestellt als nötig. Ein typisches Beispiel dafür, wie die Monopolisierung wissenschaftlichen Wissens zu erheblicher unnötiger Verschwendung führt.
Das Schöne am Laserschneiden ist, dass das Zeichnungsformat SVG ist, wodurch es sehr einfach ist, in der Programmiersprache seiner Wahl parametrisierte Generatoren zu schreiben.
Dadurch ist es auch leicht, physische Objekte mit größeren Apps zu verbinden. Man kann sie mit 3D-Visualisierungen des erwarteten Ergebnisses oder mit Montageanleitungen verknüpfen und dabei alles parametrisch halten.
Ich entwerfe gerade einige Dinge mit Observable notebooks: https://observablehq.com/d/1117987aeab1be0d