Costruire un incisore laser con vecchi lettori CD e DVD

In questo build log racconteremo la costruzione di un incisore laser (laser engraver) con un’area di lavoro di 40mm per 40mm, realizzato recuperando le parti meccaniche ed elettroniche di lettori CD e DVD da vecchi computer desktop.

ATTENZIONE!!!

Lo scopo di questo articolo è puramente divulgativo. L’utilizzo di LASER e di DISPOSITIVI ELETTRICI/ELETTRONICI espone a rischi letali per l’essere umano.

E’ altamente sconsigliato l‘utilizzo di LASER ed altri DISPOSITIVI ELETTRICI/ELETTRONICI da parte di persone non qualificate e non consapevoli dei rischi a cui ci si espone. E’ necessario indossare occhiali idonei a bloccare la frequenza del proprio LASER e prendere tutte le precauzioni necessarie alla propria incolumità. Il laser può essere dannoso anche se riflesso da una superficie!

INFORMATICA37.IT non si assume nessuna responsabilità riguardante danni a persone e/o cose derivanti dalle informazioni sotto riportate, ogni vostra azione sarà sotto la vostra totale responsabilità.

Materiale necessario

• N° 2 lettori/masterizzatori CD o DVD  provenienti da vecchi computer desktop. Da questi si possono recuperare la carcassa in alluminio e i motori stepper con il meccanismo del carrello a cui sono collegati. Se si decide di non utilizzare un laser commerciale si può tentare di recuperare il diodo laser del lettore/masterizzatore, a cui però bisognerà aggiungere un regolatore di corrente con integrato LM317 ed un raffreddamento adeguato. Il recupero del diodo laser è una operazione estremamente complessa e delicata, quindi è preferibile e più sicuro acquistarne uno con regolatore integrato di cui si possono conoscere le specifiche tecniche.

• N° 1 laser da 500mW-1500mW o superiore con un dissipatore. Nella scelta del laser è bene fare attenzione che siano idonei all’incisione (engraving).

• N° 1 occhiale di protezione. L’occhiale deve poter proteggere dalla lunghezza d’onda del laser scelto espressa in “nm” (nanometri). Se ad esempio il laser emette 402nm, occorre comprare occhiali che proteggono dai 400nm ai 450nm.

 

• N° 1 microcontrollore Arduino Uno o clone compatibile. E’ l’hardware fondamentale per poter installare il firmware di controllo: il firmware interpreta le istruzione di lavorazione e impartisce di conseguenza i comandi alle componenti elettroniche dell’incisore laser.

• N° 1 CNC shield. E’ una scheda elettronica “senza nessuna intelligenza”, va montata sopra alla scheda Arduino ed ha lo scopo di semplificare la connessione ad Arduino delle varie componenti dell’incisore laser. Non è un elemento fondamentale ma semplifica di molto i collegamenti e contribuisce a contenere l’ingombro della parte elettronica.

• N° 2 Driver A4988. I driver sono schede elettroniche necessarie al controllo dei motori passo-passo, il modello A4988 è molto economico ma è più che sufficiente per controllare un motore di un lettore CD/DVD. I driver A4988 possono essere di colore verde o rosso. Se non si conosce il funzionamento di un motore passo passo e il controllo in microstepping, lo abbiamo descritto nel capitolo “Motori stepper, driver e microstepping” della nostra guida alla costruzione di una stampante 3D.

Esistono kit in bundle molto economici che consentono di acquistare il kit elettronico completo composto da: microcontrollore Arduino, CNC shield e driver di controllo (immagine di sinistra). Alcuni kit sono costituiti da CNC shield compatibili con Arduino Nano, ovvero la versione compatta di un Arduino Uno (immagine di destra).

• N° 1 Alimentatore stabilizzato da 12V. Non essendo in gioco grandi potenze, un alimentatore per LED da 5A e 60W è più che sufficiente. Volendo risparmiare sull’acquisto dell’alimentatore si può sempre recuperare un alimentatore ATX di un vecchio computer desktop, a tal proposito abbiamo già pubblicato una guida su come poterlo modificare per poterlo utilizzare come alimentatore da banco con diverse tensioni disponibili.

 

Il modulo laser commerciale, come anticipato, è già dotato di un regolatore di corrente interno, ci sarà però bisogno di realizzare il suo regolatore di tensione e la circuiteria necessaria ad essere controllato in PWM da Arduino (Pulse Width Modulation, modulazione di larghezza di impulso). Il regolatore di tensione serve ad alimentare il laser a 5V prelevando la tensione di 12V dall’alimentatore. Il controllo PWM sul diodo laser serve a regolarne la potenza in modo da ottenere incisioni più o meno marcate e poter riprodurre delle sfumature.

In questa immagine è rappresentato lo schema elettrico di un incisore laser che utilizza semplicemente un Arduino Nano e due driver per i motori. E’ uno schema molto essenziale ma che potrebbe essere complesso da realizzare a causa dell’elevato numero di connessioni da effettuare, è per questo motivo che la CNC shield semplifica di molto i cablaggi. Di questo schema prenderemo in considerazione solo la parte di regolazione di tensione e del controllo PWM, vedremo più avanti come realizzarla, per il momento elenchiamo semplicemente i componenti necessari:

• 1x transistor Mosfet tipo N, modello IRFZ44N.
• 1x LM7805 (regolatore di tensione) con dissipatore (raccomandato).
• 1x resistenza 47ohm.
• 1x resistenza 10k ohm.
• 1x condensatore 1000µF (microfarad) da 16V.
• 1x basetta millefori (foto di sinistra) o una basetta di tipo “strip board” (foto al centro), o ancora in alternativa una basetta breadboard con jumpers che non richiede la saldatura dei componenti (foto a destra).

 

Riguardo al dissipatore per il regolatore di tensione, si può recuperare da qualche vecchia scheda elettronica oppure acquistarne uno commerciale.

Oltre ai sopracitati componenti principali potrebbero esservi utili anche i seguenti materiali:

• Jumper di vario tipo (maschio-femmina, maschio-maschio, femmina-femmina).
• Viti, dati e rondelle M3.
• Distanziali e torrette M3.
• Connettori Dupont per creare i propri cavetti di collegamento.
• Scarti di tavolette di legno o plexiglass, staffe angolari e altro materiale di recupero per poter realizzare la struttura.

Tra gli utensili consigliamo di avere:

• Cacciaviti
• Trapano/avvitatore
• Saldatore a stagno
• Multimetro digitale
• Pistola colla a caldo
• Righello e squadre
• Forbici

Smontaggio lettori CD/DVD e costruzione del telaio

Il primo passo è quello di smontare i due lettori CD o DVD ricavandone il motore con il relativo carrello di movimentazione. Della carcassa ci tornerà utile anche la scocca in alluminio, le quali verranno montate a 90° una sull’altra per la realizzazione della struttura. Lo smontaggio potrebbe sembrare difficoltoso, è consigliabile iniziare dal carrello estraibile, poi smontare il pannello frontale ed infine aprire in due la scocca. Dall’interno del lettore si può recuperare anche un motorino DC da riutilizzare in altri progetti, è il motore che serve ad aprire e chiudere il cassetto del lettore. Per maggiori informazioni su come smontare un lettore CD o DVD ci sono svariati tutorial in rete che mostrano come fare. Al termine dell’operazione dovremmo avere a disposizione una scocca ed un carrello per ogni DVD. La parte centrale del carrello in cui c’è il laser va svuotata e ripulita da tutti i componenti presenti.

I motori hanno rispettivamente quattro pin su cui andranno saldati i cavetti necessari al collegamento alla scheda elettronica, è preferibile avere dei cavetti con terminazioni di tipo “femmina” o realizzare un cablaggio con connettore Dupont femmina a 4 poli. Bisogna prestare molta attenzione alla fase di saldatura dei cavetti perché si rischia di danneggiare l’avvolgimento del motore passo passo.

Una volta completati i cablaggi può iniziare a costruire la struttura e fissare i carrelli alle rispettive scocche.

In questa fase bisognerà ingegnarsi un po’ per mettere insieme le varie parti, non ci sono procedure standard. Ogni carrello DVD è diverso da un altro, bisognerà svuotare la parte centrale delle parti elettroniche inutili e trovare il modo di poterci fissare il piatto di lavoro ed il laser. Nelle foto precedenti si può notare come sono state disposte le scocche e come sono stati montati il piano di lavoro e il supporto del laser, si possono usare viti, torrette, insieme a materiale di recupero come pezzi di legno o plexiglass. L’obbiettivo è quello di realizzare una struttura rigida, non troppo pesante, in cui sia il laser che il piatto possano muoversi all’interno di un volume comune. Il laser è montato sulla parte verticale del telaio e sarà libero di muoversi orizzontalmente, per convenzione lo chiameremo “asse X”, la parte del piano di stampa è sul piano e la chiameremo “asse Y”. I movimento degli assi X e Y devono essere disposti in maniera da sfruttare tutta la corsa disponibile dei carrelli, se il laser fosse troppo vicino al telaio verticale non potrebbe lavorare su tutto lo spazio disponibile sull’asse Y, riducendo così lo spazio di azione per la lavorazione.

Le posizioni di X minimo e Y minimo rappresentano la posizione di Home da cui si dovrà partire ad ogni lavorazione. Il progetto non prevede procedure di homing con finecorsa, quindi il posizionamento in Home va fatto manualmente muovendo delicatamente i carrelli quando non sono alimentati.

Realizzazione parte elettronica

La parte elettronica è costituita principalmente da Arduino con CNC shield a cui andranno collegati: i motori e relativi driver, la scheda con regolatore di tensione e controllo PWM, il laser. Come anticipato ci sarà da creare un circuito su base millefori per il regolatore di tensione ed il controllo PWM del laser. Tutte le connessioni andranno realizzate secondo il seguente schema a blocchi.

Vediamo più da vicino le connessioni alla CNC shield innestata sulla scheda Arduino.

E’ molto importante montare i driver nella giusta posizione, usando driver diversi dagli A4988 l’orientamento del driver potrebbe cambiare. Sotto ai driver sono montati 3 jumper (forniti nel kit) che servono a impostare il microstepping dei motori. Nel nostro caso lo abbiamo impostato a 1/16, ma si possono usare anche impostazioni diverse in base allo schema che segue.

Se non conoscete il tema del microstepping e del funzionamento dei driver vi invitiamo a leggere il nostro articolo sulla costruzione di una stampante 3D al capitolo intitolato: “Motori stepper, driver e microstepping“. Il collegamento dei 4 pin motore dovrà seguire la stessa sequenza di come sono saldati sul motore. Per il momento non è importante il verso di collegamento, se più avanti verrà appurato che un motore si muoverà in senso contrario rispetto al comando impartito bisognerà semplicemente invertire il verso di connessione sulla CNC shield.

Tra la CNC shield ed il laser c’è la scheda elettronica che contiene il regolatore di tensione del laser ed il suo interfacciamento al controllo in PWM.

Come da schema a blocchi pubblicato sopra, a questa scheda andranno collegati: alimentazione a 12v, il laser e la CNC shield. La scheda andrà realizzata secondo lo schema seguente.

Una volta collegati tutti i componenti e verificati i collegamenti, bisognerà indossare gli occhiali protettivi, dopodiché si potrà procedere con la prima accensione di verifica. In linea teorica il laser non dovrebbe accendersi senza l’invio del comando di accensione, tuttavia è bene proteggersi.

ATTENZIONE!!!

Lo scopo di questo articolo è puramente divulgativo. L’utilizzo di LASER e di DISPOSITIVI ELETTRICI/ELETTRONICI espone a rischi letali per l’essere umano.

E’ altamente sconsigliato l‘utilizzo di LASER ed altri DISPOSITIVI ELETTRICI/ELETTRONICI da parte di persone non qualificate e non consapevoli dei rischi a cui ci si espone. E’ necessario indossare occhiali idonei a bloccare la frequenza del proprio LASER e prendere tutte le precauzioni necessarie alla propria incolumità. Il laser può essere dannoso anche se riflesso da una superficie!

INFORMATICA37.IT non si assume nessuna responsabilità riguardante danni a persone e/o cose derivanti dalle informazioni sotto riportate, ogni vostra azione sarà sotto la vostra totale responsabilità.

Appurato che tutto stia funzionando correttamente, prima di procedere allo step successivo bisognerà regolare la Vref dei driver motore. Se non conoscete la procedura di regolazione vi invitiamo a leggere il nostro articolo sulla costruzione di una stampante 3D al capitolo intitolato: “Regolazione della Vref dei driver motore“. Ipotizzando che il motore possa assorbire al massimo 1A di corrente, abbiamo calcolato una Vref di 0,4v, volendo partire da valori più conservativi si potrebbero impostare 0,3v ed eventualmente salire nel caso in cui i motori perdano passi.

Configurazione del firmware e del software di controllo

Il firmware è un programma che viene eseguito dal microcontrollore Arduino, come per la stampa 3D ne esistono in versione open source, il più conosciuto e diffuso è sicuramente GRBL. Il metodo più semplice è quello di caricare su Arduino una versione di GRBL già compilata, in alternativa si possono scaricare i sorgenti da compilare ma è una operazione più lunga e per utenti più esperti, in rete ci sono tantissime guide che spiegano come farlo in entrambe le maniere. GRBL può essere scaricato dal repository ufficiale al seguente link: https://github.com/gnea/grbl/releases.

Scaricando la versione in formato .HEX (compilata), ci sarà poi bisogno di del software XLoader per caricare il file .HEX su Arduino. Xloader è disponibile al seguente link: https://github.com/xinabox/xLoader. Il caricamento del firmware è molto semplice, si collega Arduino al computer via USB, si avvia XLoader, si imposta la porta COM a cui è connesso Arduino (visibile in Gestione Periferiche di Windows) e si procede con il caricamento.

Per il controllo del laser e l’invio dei file da incidere serve un software di controllo, ne esiste uno gratuito pensato proprio per il laser e si chiama LaserGRBL: http://lasergrbl.com. Il programma è molto semplice da usare, c’è molta documentazione disponibile ed ha una interfaccia con comandi personalizzabili.

Prima di partire con la prima incisione bisogna configurare il firmware GRBL in base alla nostra configurazione meccanica ed elettronica. Apriamo il file di configurazione dal menù Grbl > Configura GRBL.

La configurazione può essere modificata editando il campo Valore e si possono inoltre importare ed esportare i file di configurazione. I campi più importanti da modificare saranno:

• step/mm dei motori, ovvero quanti step fa il motore ad ogni millimetro di spostamento. Si parte da un valore di partenza e poi si affina con misurazioni reali.
• Velocità e accelerazioni.
• Corsa massima degli assi X ed Y (maximum travel)

Al seguente link è possibile scaricare una configurazione di partenza per semplificare l’operazione: GRBL_CONFIG-v2.

Per collegare l’incisore al software di controllo basterà selezionare la porta COM di connessione ad Arduino e cliccare sul pulsante di connessione. Nel campo file si carica il file da incidere (immagini bitmap o vettoriali), per partire con la lavorazione bisogna cliccare il triangolino alla riga Esecuzione. Subito sotto, parte sinistra della schermata, ci sono una riga di comando ed un terminale per inviare/leggere i comandi gcode. In basso troviamo i controlli degli assi X ed Y con il pulsante di Home. Una volta collegato il programma ad Arduino, tramite tali controlli si può verificare che i motori si muovano nella giusta direzione ed eventualmente modificare la loro connessione alla CNC shield. E’ molto importante sapere che una volta collegati ad Arduino ed alla alimentazione, i motori vanno in tensione, quindi non sarà possibile spostarli manualmente! Per spostare i carrelli manualmente bisogna spegnere l’alimentatore e riaccenderlo al termine dell’operazione, i carrelli non vanno forzati perché si potrebbe danneggiare la guida plastica che scorre sulla vite di trascinamento. Nella parte destra della schermata c’è uno spazio di anteprima della lavorazione e sotto alcuni controlli. Nella nostra interfaccia abbiamo aggiunto 3 pulsanti personalizzati, in questo incisore estremamente spartano potrebbero essere utili i due comandi di accensione e spegnimento del laser. I due pulsanti non fanno altro che inviare dei comandi gcode che si potrebbero anche scrivere nel terminale:

• LASER ON accende il laser alla potenza minima con il comando gcode M3 S0.
• LASER OFF spegne il laser con il comando gcode M5.

Test e prima incisione

Una volta configurato opportunamente GRBL e verificato che i motori si muovano nella direzione desiderata si può procedere col caricare un file bitmap o vettoriale per la prima lavorazione.

ATTENZIONE!!!

Lo scopo di questo articolo è puramente divulgativo. L’utilizzo di LASER e di DISPOSITIVI ELETTRICI/ELETTRONICI espone a rischi letali per l’essere umano.

E’ altamente sconsigliato l‘utilizzo di LASER ed altri DISPOSITIVI ELETTRICI/ELETTRONICI da parte di persone non qualificate e non consapevoli dei rischi a cui ci si espone. E’ necessario indossare occhiali idonei a bloccare la frequenza del proprio LASER e prendere tutte le precauzioni necessarie alla propria incolumità. Il laser può essere dannoso anche se riflesso da una superficie!

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Nel nostro caso abbiamo creato con Inkscape un semplice ellisse in formato vettoriale svg.

Nel video seguente si vede una versione ancora prototipale del laser che esegue l’incisione dell’ellisse.

Per calibrare il valore degli step/mm nel firmware potrebbe essere utile incidere un quadrato di lato 20mm e al termine dell’incisione verificare che questa sia perfettamente di 20mm in X e 20mm in Y. Per ricalcolare il valore corretto degli step/mm dei singoli assi X ed Y si può applicare la seguente formula.

"Nuovo valore step/mm" = 20 mm / "misura del lato dell'incisione" * "vecchio valore step/mm"

Se ho un valore di partenza di 100 step/mm per il motore X, e il lato X del quadrato inciso misura 25 mm anziché i 20 mm impostati, il nuovo valore di step/mm da impostare sarà il seguente.

20 mm / 25 mm * 100 step/mm = 80 step/mm

E’ giusto fare tarature precise ma non serve essere eccessivamente pignoli a ricercare il “decimo di millimetro” vista la poca precisione dei componenti della macchina.

A conclusione di questo articolo pubblichiamo alcune foto dell’incisore laser terminato.