Ausprobiert: Lasercutter selbstgebaut mit Diodenlaser
Statt ein Komplettpaket zu kaufen, lassen sich Lasercutter auch selbst zusammenstellen. Eine Maschine mit X- und Y-Achse und eine Diode müssen her.
- Roman Radtke
Schon als Kind war ich fasziniert von Lasern und der Vorstellung mit Licht zu schneiden. Fast 30 Jahre später ist das Ziel dank immer günstigeren Lasercuttern endlich umsetzbar. Zunächst habe ich für kleines Geld einen 3D-Drucker mit einer China-Diode umgebaut. Für den dauerhaften Betrieb lohnt allerdings der Einsatz eines Qualitätsprodukts: Ich habe den PLH3D-6W-XF von Opt Laser mit einem EleksMaker A3 Pro X-Y Plotter kombiniert.
Günstige Variante wird teuer
Da Geld für das Hobby für viele Maker ein knappes Gut ist, liegt es nahe, vorhandene Geräte mit einer günstigen Diode aus China zu hacken, um einen Lasercutter daraus zu machen. In meiner Werkstatt steht bereits eine „CNC- Maschine“: ein 3D-Drucker. Da ein moderner Diodenlaser nicht allzu viel wiegt und beim Arbeiten keine zusätzlichen Kräfte auf die Maschine ausübt, klang der Umbau nach einer schönen Lösung. Um den Laser zu montieren, habe ich einfach zusätzliche Gewinde-Löcher in die Montageplatte eingebracht und die Diode verschraubt.
So schön wie gedacht lief es danach nicht. Der Einsatz im 3D-Drucker ist zwar generell möglich, mich störte aber der kleine Arbeitsbereich. Da der Laserkopf die Bewegung der X-Achse einschränkt, musste ich auch ständig umrüsten. Der schwere mechanische Aufbau des Druckerss begrenzt schließlich die maximale Beschleunigung stark. Da mein Drucker ein geschlossenes Gehäuse hat, hätte ich noch eine Rauchabsaugung integrieren können.
Vorher wurde der günstige Laser aber zum teuren Spaß. Erst kam beim Zoll die Mehrwertsteuer hinzu – immerhin vernichtete er den Laser nicht ganz. Außerdem wollte ich mit meinem Laser schneiden. Mit einer Leistung von nur 2,5 W ging dies aber nur bei den dünnsten Materialien halbwegs sauber. Nach wenigen Betriebsstunden fiel die Leistung dann merklich ab. Vermutlich alterte die Diode vorzeitig oder sie wurde am Rande ihrer Spezifikation betrieben, um Kosten zu sparen. Kurz darauf fiel sie total aus.
Versuch mit Plotter
Da ich Blut geleckt hatte, musste etwas Besseres her. Als Untersatz für den Laser fiel die Wahl auf einen EleksMaker A3 Pro X-Y Plotter, da dieser einen großen Arbeitsbereich von ca. 300 × 380 mm bei einem moderaten Preis von etwa 130 Euro hat. Es gibt ihn auch als Lasergravierer, den Make bereits getestet hat. Im Unterschied zum 3D-Drucker kann man einen X-Y-Plotter besser auf den vorgesehenen Einsatzzweck abstimmen und ausbauen, etwa mit einem eigenen Gehäuse mit filternden Sichtfernstern, Sicherheitsschaltern und Rauchabsaugung. Dieser Plotter besteht aus massengefertigten Teilen, die günstig und in guter Qualität verfügbar sind. Es ist also davon auszugehen, dass hier wenig schiefgehen wird.
Neuer Laser aus Europa
Der von EleksMaker angebotene Laser hat für meinen Geschmack nicht ausreichend Leistung, sodass ich stattdessen den hochwertigen Diodenlaser PLH3D-6W-XF der Firma OptLasers mit satten 6 W Leistung dazukaufte, auch wenn er 550 US-Dollar kostet. Opt Lasers stellt seit vielen Jahren Lasermodule für Forschung und Industrie her und genießt einen guten Ruf. Mit ihrem Preis sind Module für den DIY-Bereich immer noch interessant.
Besonderes Augenmerk liegt auf breit einsetzbaren, kleinen Laser-Dioden-Gravierköpfen, die sich für viele Maschine adaptieren lassen. Der PLH3D 6W hat einen breiten Versorgungsspannungsbereich von 12 bis 24 Volt, was ihn universell nutzbar macht. Zum Lieferumfang gehört sich neben dem Laserkopf ein kleines Werkzeug zum Einstellen des Fokuspunkts, sowie eine zusätzliche Linse. Sie weist eine höhere Transmission auf, fokussiert dafür aber nicht so präzise auf einen Punkt.
Der Laserspot lässt sich auf eine Entfernung von 20 bis 120 mm einstellen, was die Verwendung in den meisten Maschinen erlaubt. Dank der hochwertigen Verarbeitung lässt sich der Strahl mit der feiner fokussierenden Linse auf einen „Brennfleck“ von nur 0,1 × 0,1 mm in 30 mm Entfernung bündeln. Die dabei entstehende Leistungsdichte ist groß genug, um gute Schneid- und Gravierleistung zu bieten. Die Leistung lässt sich sowohl über einen TTL-Eingang (0 - 24 V, Laser an ab 2,5 V), als auch über einen mit einer Zenerdiode gegen Überspannung geschützten analogen Eingang (0 - 5 V) fein regulieren.
Die Luftführung zum Kühlen ist schlichtweg genial: Die Luft wird an der Oberseite des Laserkopfes über einen starken Axiallüfter angesaugt und durch das Gehäuse, mittels einer abnehmbaren Düse, an der Linse vorbei nach unten wieder herausgeführt. Durch die Düse und den kräftigen Lüfter ist der Luftstrom an der Linse so stark, dass Verschmutzung mit entstehenden Rauch und Partikeln so gut wie ausgeschlossen ist. Bei anderen Systemen kann kann der Rauch den Laser beeinträchtigen und zu inhomogenen Gravuren oder ungleichmäßigen Schnitten führen. Sollte die Temperatur des Moduls trotz der Kühlung 47°C überschreiten, schaltet sich der Laser automatisch ab, um eine Verringerung seiner Lebensdauer durch thermischen Stress zu vermeiden. Um den Fokus zu justieren oder die Linse zu tauschen, lässt sich die Düse dank der magnetischen Befestigung leicht abnehmen.
Da das gesamte Lasermodul nur 220 g wiegt, kann es auch von schwachen Maschinen ohne Probleme bewegt werden. Seine Abmessungen betragen 40 × 55 × 77,5 mm³. Mit der zusätzlich erhältlichen Docking-Station kann es einfach ein- und ausgebaut werden, um es sicher zu lagern, wenn es nicht gebraucht wird. Alle elektrischen Anschlüsse sind über die Docking Station geführt, während der Laser magnetisch gehalten wird. Ein Griff um das Modul zu entfernen, ein weiterer um die mitgelieferte Schutzplatte an der Dockingstation zu befestigen – eleganter und schneller geht es nicht.
Erfahrungen im Betrieb
Da ich den Plotter nur mit dem Laser betreibe, habe ich ihn mit vier passenden Bohrungen an der Plexiglasplatte des Plotters permanent befestigt. Prinzipiell ist es kein Problem, den Fokus durch Rein- und Rausdrehen der Linse am Laser selbst einzustellen. Weil die Linse so leicht verschmutzt, ist jedoch nicht sehr praktikabel. Stattdessen setzte ich eine kleine Labor-Hebebühne ein. Das Werkstück lässt sich so schnell und komfortabel in der Höhe verstellen. Der Nachteil gegenüber einer Maschine mit einer zusätzlichen Z-Achse ist, dass sich beim Schneiden dickerer Materialien der Fokus des Lasers nicht nachführen lässt. Allerdings lassen sich mit der Hebebühne sowieso nur Materialdicken von wenigen Millimetern bearbeiten.
Im Gegensatz zur billigen 2,5-W-Diode überzeugen die Qualität der Schnittfuge und die Arbeitsgeschwindigkeit. Vermutlich liegt dies nicht nur an der größeren Leistung, sondern auch an besserer Optik und der damit verbundenen Strahlqualität. So lässt sich sogar rostfreier Stahl gravieren wie ein eindrucksvolles Herstellervideo zeigt.
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Für Maker ist besonders interessant, dass sich selbst dünne, nicht zu harte Hölzer schneiden lassen. Tränkt man geschnittenes Balsaholz mit Sekundenkleber, kann man hoch belastbare Konstruktionen bauen. Will man dickere Strukturen aus Metall herausarbeiten, bietet sich die Möglichkeit, sie mit schwarzem Lack zu beschichten und diesen mit dem Laser zu entfernen. Ätzt man das Metall dann mit einer geeigneten Lösung, lassen sich sehr schöne, hoch auflösende Grafiken erstellen – ähnlich wie beim Ätzen von Platinen. So lassen sich natürlich auch Platinen erstellen.
Mögliche Upgrades
Das System ist so voll nutzbar, weist jedoch noch eklatante Sicherheitsmängel auf – nicht nur was die Lasersicherheit angeht, sondern auch die Entwicklung von schädlichen Gasen. Ich plane noch den Bau eines Gehäuses, das folgende Kriterien erfüllt:
- Sobald man das Gehäuse öffnet, wird die Diode stromlos geschaltet.
- Einblick durch ein Sichtfenster, welches gefährliche Strahlung absorbiert
- Möglichst komplette Absaugung des entstehenden Rauches
Ein geeignetes Material für das Gehäuse ist Dibond von 3A Composites. Es besteht aus zwei 0,3 mm dicken Aluminiumschichten, die mit einem Polyethylenkern thermisch verbunden werden. Dibond ist für sein Gewicht sehr steif und hat dank der Kaschierung den Vorteil, absolut lichtundurchlässig zu sein. Die Rauchabsaugung wird voraussichtlich über einen Rohrlüfter und einen Aluflexschlauch, der aus dem Fenster hängt, erfolgen. Ein Filter für einen Umluftbetrieb wäre viel zu aufwändig und teuer.
In den Deckel wird eine für die Laser-Wellenlänge möglichst undurchlässige Scheibe aus gefärbtem Acryl montiert, so dass ich die Maschine gefahrlos bei der Arbeit überwachen kann. Hier ist auf ausreichende optische Dichte im Wellenlängenbereich um die 445nm zu achten. Die Spannungsversorgung soll von einem Mikroschalter im Deckel gesteuert werden, damit sie beim Öffnen des Deckels unterbrochen wird.
Auch für den Plotter selbst sind einige Umbauten geplant. Erste Maßnahme wird sein, die Riemenführung zu überarbeiten, da die Riemenspannung nicht über den ganzen Verfahrweg konstant ist. Teile hierzu finden sich auf der 3D-Druckplattform Thingiverse. Ein Austausch der Treiberchips gegen Modelle von Trinamic sollte für ruhigeren und höher auflösenden Lauf des Plotters sorgen.
Fazit und Sicherheitshinweise
Will man nicht nur spielen, sondern sinnvoll mit seinem Laser arbeiten, sollte man in die Technik investieren. Im Vergleich zu einem CO₂-Laser ist das System sehr einfach zu nutzen und extrem zuverlässig. Wasserkühlung und der Einsatz von Hochspannung entfallen völlig. Die Verarbeitung des Lasermoduls PLH3D-6W-XF ist tadellos und er funktioniert seit vielen Stunden problemlos. Der feine Fokus in Verbindung mit einerbeeindruckenden Leistung von 6 Watt lässt selbst das Schneiden härterer oder dickerer Materialien ohne Probleme zu. Die Leistungsregelung des Strahls gelingt sehr leicht, reproduzierbar und schnell.
Dank der Lieferung aus Europa gab es keine Probleme mit dem Zoll. Da der Hersteller auf die Elektronik eine Garantie von 12 Monaten und auf die Laserdiode 6 Monate gibt, ist der Preis gerechtfertigt, insbesondere in Verbindung mit dem Kundenservice rechtfertigen.
Sicherheitshinweise
Bei den hier vorgestellten Lösungen handelt es sich um gefährliche Maschinen. Laser der Leistungsklasse 4 können selbst durch eine diffuse, indirekte Reflexion zur sofortigen Erblindung führen. Sollte es zu einem Schaden – auch an anderen – kommen, wird keine Versicherung dafür aufkommen. Verfahren wegen Körperverletzung o.ä. wären ebenfalls nicht auszuschließen.
Um jedes Risiko zu minimieren, nutze ich den Laser nur allein, schließe die Tür der Werkstatt ab und mache die Rollläden der Fenster zu. Sobald die Maschine mit Strom versorgt wird, trage ich eine geeignete Schutzbrille und blicke nie direkt in Richtung des Brennpunktes, wenn der Laser eingeschaltet ist.
Die Brillte sollte zertifiziert sein und eine ausreichen Absorptionswirkung im passenden Wellenlängenbereich aufweisen. Meine hat einen Schutzfaktor von OD7, schwächt also das Licht auf 1/1000000 des Ausgangswertes ab, was für den Schutz vor reflektierter Strahlung ausreichen sollte. Auch die Haut kann von der Strahlung geschädigt werden und sollte dementsprechend geschützt werden.
Genauere Informationen, welche Maßnahmen beim Betrieb von Laseranlagen zu treffen sind, finden sich in der Unfallverhütungsvorschrift Laserstrahlung der Berufsgenossenschaften Metall.
(hch)
