これまでのあらすじ:
2016年3月、フェルト生地を手で裁断している際にレーザーカッターがあれば複雑なカットが容易にできるなあと思って、安価になってきたレーザーカッターを購入しようと思ったのがきっかけ。調べていくうちに、合板も切れたほうがいいと思うようになって、CNCルーター(CNCミリング)についても考えるようになった。
Arduinoは以前から使っており、CNCシールドがあると気付いて自作も可能と思うようになった。当初はShapeOkoやX-CARVEを参考にMakerSlide、OpenRail、V-Wheel、2GTタイミングベルトなどで5万円くらいで自作しようと思っていた。AliExpressでも部品が安く買えることが分かって、しばらくは部品探し。探せば探すほど安くて本格的な部品も見つかってくるので、そんなにケチらなくてもいいのではないかと徐々にスペックアップ。最終的には剛性や精度のことも考えてボールスクリューやリニアスライドを使うことになり、予想以上に重厚な3軸CNCマシンをつくることに(約7万円)。
構想から約5週間(制作約3週間)でルーターとレーザーともに使えるようになり、現在はgrbl1.1+Arduino CNCシールドV3.5+bCNCを使用中(Macで)。余っていたBluetoothモジュールをつけてワイヤレス化。bCNCのPendant機能でスマホやタブレット上のブラウザからもワイヤレス操作可能。


CNCマシン全般について:
国内レーザー加工機と中国製レーザー加工機の比較
中国製レーザーダイオードについて
CNCミリングマシンとCNCルーターマシンいろいろ
その他:
利用例や付加機能など:
CNCルーター関係:

*CNCマシンの制作記録は2016/04/10〜の投稿に書いてあります。

2016年5月12日木曜日

CNCマシン:レーザー焦点距離測定実験(その2)

以前は、レンズ先から素材までの距離10mm〜100mm(5mm間隔で)焦点距離測定実験を行いました。その結果50mmくらいが焦点距離とわかったのですが、今回は50mm付近をさらに細かく測定したいと思います。
以下が前回の結果。距離50mmでの線が最もシャープ。

前回の結果から、50mm付近を0.2mm間隔で照射してみます。前回の結果を見ると、45mmと55mmだと、45mmのほうがややシャープなので、おそらく45mm〜50mmの間に最適な焦点距離があると思われます。
上画像は、48.2mm〜52.0mmまでの照射実験です。レーザーモジュールを取り外したりしたので前回の実験と多少の誤差があるかもしれません。この結果では、50mmというよりも左端の48.2mmがシャープに見えます。なので、48.2mm以下をさらに細かく照射実験してみました。

上画像は、46.1mm〜48.0mmまでを0.1mm間隔で照射した結果です。左端が46.1mm、中央に47と書いてあるところが47.0mm、右端48と書いてあるところが48.0mmです。
これを見る限り左にいけばいくほど少しずつ線が太くなっています。おそらく47.5mmあたりが焦点の中心ではないでしょうか。肉眼で見る限りは、47.0mmから48.0mmの間であれば、どれも同じように見えます。ということから、47〜48mmあたりを焦点距離にすればいいのかもしれません。焦点深度が1mmくらいあると考えてもいいかもしれません。実際フェルトや紙(多少波打っている素材)を切る場合なら、2mm前後は誤差があってもそれほど問題にはならなさそうです。

前回制作した黒いレーザーシールド(代用品)を取り付けた場合、レンズチューブ先端からレーザーシールドの底面までは45mmにセットしてあるため、以下のように素材との間に2mm厚のABS樹脂板(レーザーシールドと同じ材料)を差し込めば、だいたい焦点距離になるという感じです。

そろそろ実制作のためのツールとしてCNCマシンが使えそうです。まずはレーザーをつかってフェルト生地を切ろうと思っているので、その作業に合わせたセッティングという感じです。


実験続き:
焦点距離が分かったので、ためしに薄い合板を切ってみることにしました。5.5Wのレーザーダイオードでどのくらい切れるのか?とは言っても、個人的には木材をレーザーカットはしないと思うけれども、一応参考のために。
合板は厚さ2.2mm。Gコードを手入力していたので、最初と最後の部分が焦げています。5.5Wを100%の出力で、1パスで切っています
大きい円が直径20mm、小さいほうが10mm。
フィード(mm/min:切断時のスピード)が、左から100、70、100、50です。
そして、裏側を見ると、以下のような感じ。

まず20mmの円をフィード100でやってみましたが、大体切れていましたが、少しだけ切れていない部分があったため、裏からカッターで切り落としました。それなら少し遅くしてフィード70なら完全に切れるかな?と思ってやってみましたが、裏からみると似たような感じで、大体は切れているのですが、あともう少しという感じ。
10mmの小さい円のほうもそんな感じです。小さい円の上側がフィード100、下がフィード50。もちろんフィード50のほうがゆっくり動くので切れていそうですが、表からみるとかなり焦げています。おそらく、これ以上スピードを落としてゆっくり切ると完全に切り落とすことができるかもしれませんが、かなり焦げてしまって、切断線も太くなってしまいます。単純にスピードを落としてゆっくり切ればいいというわけでもなさそうです。

まとめ:
焦点測定実験からも、1〜2mmの焦点深度があるために、焦点をどこに合わせるかで切れ方も変わってくると思います。今回の場合は合板が2.2mmで、焦点は合板上面に合わせてしまいました。
できれば焦点は合板の厚みの中間あたり、つまり合板上面より1mm程度下げたところを狙うとよかったのかもしれません。焦点から離れるほど線も太くなって焦げが目立つし、さらには切れ味も悪くなります。
それから、1パスで一気に切らないで、焦点を下げながら2パス、3パスでフィードも速めで切った方がきれいにきれそうです(次回試してみます)。フィード100でも90%以上切れているので、フィード200で、2パス(1周目は焦点を材料上面から0.5mm下、2周目は1.5mm下で)とかがいいかもしれません。焦点深度を超える厚みのある材料の場合は何回かに分けて切った方がよさそうです。このレーザーダイオードの場合なら、焦点深度を1mmと仮定すれば、1パスで切るには1mm厚までで、それ以上の厚みの場合は、1mmずつZ軸も下げながら3mmなら3パスという感じで切った方がいいかもしれない。
そうやって切っていけば、5mmくらいは簡単に切れそうです。がんばれば10mmも10パスくらいできれるのかもしれませんが、その場合ルーターで切ったほうがよさそう。


さらに実験:
先ほど書いたように1パスで切らないで2パス、3パスでの切断実験をしてみました。

すべて直径10mm、厚さ2.2mmの合板です。2パス切断は、1周目焦点距離-0.5mm、2周目焦点距離-1.5mmで行いました。左端のを除いては、すべて2パスでフィード(切断速度)を100、150、200に変えただけです。右から2番目の2パスF100は完全に抜け落ちてました。
裏返すと以下。
右から2個目が2パスでフィード200のもの。やはり一番速いせいか完全には切れていません。なので、フィード200のままで3パスにしたものが右端です。0.8mmずつ下げたものです。ほぼ切れています。裏面はきれいなほうですが、表面がやや焦げが多いです。
左から2番目がフィード100で、完全に抜け落ちていますが、その分少し焦げが多いので、ここまでフィード落とさなくてもいいという感じ。左端がフィード150で大体切れています。この程度がちょうどいいのかもしれませんが、やや裏面も焦げている感じです。

4つを比較すると、両端のどちらかがよさそうという感じですが、2パスF150のほうがいいかもしれません。パスの回数が増えると、表面がけっこう焦げてしまいますね。ということから、適度なフィードでパス数もあまり増えないようにということですが、いろいろ試してみないと分からないというのが結論です。

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