Graveur laser

Désolé, certaines des photos des premières étapes ont été faites après la construction car j'ai pas pensé à en prendre pendant...

I - Préambule

Il de cela plus d'un an et demi j'ai retrouvé un vieux scanner dans mon grenier et je me suis demandé ce que je pouvais en faire sachant qu'il dipose d'un axe avec un moteur pas-à-pas sur lequel on peut déplacer des choses.

Après avoir traîné un peu plus longtemps dans mon garage j'ai eu l'idée de le transformer en graveur laser : il me suffisait de trouver un autre axe pour former un repère deux dimensions et d'y fixer un laser afin que celui-ci puisse graver librement.
Après un autre coup d'oei dans mon grenier j'ai alors dégoté une vieille imprimante HP, que j'ai démonté pour récupérer le rail et le moteur où se déplace le chariot avec les têtes d'impression.

Pour le laser, j'ai acquis un petit module laser 500mW 405nm en Chine pour une trentaine d'euros. Voilà, j'avais tout ce qu'il me fallait et la construction pouvait débuter.

II - Construction mécanique

Pour fixer le rail d'imprimante sur le chariot du scanner, j'ai acheté du profilé rectangulaire en alu (pour que ça soit le plus léger possible et que le laser soit moins inerte) que j'ai marqué, découpé et assemblé sur l'instant sans plans. Pour rigidifier la structure et fixer le rail (avec des boulons et écrous M4) j'ai rajouté une cornière en alu.

Après quelques coups de Dremel sur le chariot du rail, j'ai pu accrocher mon module laser chinois avec des boulons M3 (le refroidisseur du module était déjà taraudé pour).
Pour éviter que les chariots aillent s'exploser contre les bords des rails, j'ai mis des fins-de-course sur chacuns des deux axes.
Après quelques prototypes, j'ai remarqué que la boîte de vitesse qu'il y avait sur le moteur pas-à-pas du scanner était assez imprécise (au niveau des rouages qui ne se correspondent pas parfaitement). Du coup, lorsque le moteur changeait de direction, il fallait du temps avant que tous les rouages s'enclenchent correctement et que le dernier se mette à bouger, et ça rendait la gravure imprécise. Je ré-ouvre, je vire le moteur de base du scanner et à la place j'installe un Nema 17 qui trainait dans mon garage. Pour ça il a fallu modifier un peu le plastique du scanner à la Dremel et en ajoutant des supports pour le Nema mais tout a fini par prendre place. Par contre la couroi était plus super bien tendue à cause de la petit taille du rouage qui l'entraîne que j'ai mis sur le Nema. J'ai simplement rajouté deux tendeurs sur celle-ci.

Évidemment, la diode chinoise a fini par griller... Je me suis donc orienté vers des diodes qui son faites pour supporter la puissance qu'on leur donne... Pour ça j'ai acquis une diode NDB7A75 de 5W à 445nm qui a été extraite d'un vidéoprojecteur industriel. Après l'avoir mis dans un module conforme avec une lentille en verre type G2, je l'ai mis dans un refroidisseur qui sert aussi de support pour fixer le module sur le chariot. C'était donc du refroidissement passif. Juste par précaution, pour éviter toute surchauffe j'ai modélisé et imprimé en 3D un support pour un ancien ventilateur Nidec Ultraflo 40mm de serveur afin de pouvoir le mettre sur le refroidisseur.

III - Construction électronique

Le plus compliqué ici, c'était d'attendre des années avant que les composants viennent de Chine lorsque des modifications étaient à apporter au cours des prototypes. Comme GRBL (programme fait exprès pour gérer ce genre de machines: CNC, graveurs...) est déjà entièrement compatibles avec les Arduinos, j'ai utilisé un ATmega328-P que j'avais pour le microcontrôleur. Pour le driver de la diode laser, à la base c'était juste un mosftet qui gérait la puissance du laser par PWM. Mais bon, au final j'ai eu une super réduction sur un driver analogique (il régule l'intensité de manière analogique au lieu de faire du PWM) en achetant en groupe avec des membres de Laser Pointer Forums chez un sympatique vendeur russe qui fait ses propores drivers. Du coup j'ai remplacé mon pauvre mosfet par ça. Le contrôle du driver se fait par signal PWM : il alimente la diode avec une intensité proportionnelle au rapport cyclique du signal.
Bref, après quelques tests sur breadboard j'ai fais, sur Eagle (Kicad ou Proteus c'est quand même mieux), mon plan du circuit (ici je l'ai commenté):

Le graveur s'alimente en 12V. Cette tension est ensuite régulée en 7.1V grâce à un régulateur LM338 avant d'être envoyée au driver de la diode laser (pour que son mosfet chauffe moins). Les 12V sont aussi régulés en 5V grâce à un LM7805, pour alimenter le microcontrôleur et les contrôleurs de moteurs pas-à-pas. Ces deux parties régulant la tension sont peuplées de condensateurs de filtrage/lissage afin de s'assurer que la tension de sortie soit la plus propre que possible (niveau ripple surtout pour le driver). L'ATmega328-P est cadencé à 16MHz. Un connecteur série est là pour connecter l'ATmega à un convertisseur USB vers série (le pin 1 du connecteur permet de reset le microcontrôleur). La gestion des fins-de-courses se fait grâce à des résistances pull-up, ou en français "de rappel" (lorsque le fin-de-course est fermé le microcontrôleur est connecté à la masse, sinon ces résistances le connectent au 5V) et des condensateurs de filtrages pour éviter les fausses alertes. Il y a un jumper pour reset pendant les tests (connecteur noté JP1) connecté à une résistance de rappel (pour éviter des redémarrages intempestifs si le pin de redémarrage était flottant) pour l'ATmega. Des interrupteurs DIP permettent de choisir la précision des moteurs (ils définissent si les contrôleurs doivent faire des micro-pas).
Ensuite j'ai designer le layout (oui on aurait pu mieux faire):

Ensuite, même processus que d'habitude pour réaliser le circuit imprimé. Pour cela, on imprime seulement les traces des pistes et des trous/vias (passage d'un côté du circuit imprimé à l'autre) à l'aide d'une imprimante laser (c'est important car elle ne dépose pas de l'encre comme une imprimante classique, mais du toner qui est un plastique). Ensuite on colle les papiers avec les pistes sur une plaque de cuivre, que l'on chauffe. A cause de la chaleur, le toner va se décoller du papier et se coller sur le cuivre (poncé, pour faire des rayures où le toner s'accroche). On enlève ensuite les papiers pour qu'il ne reste plus que le cuivre avec les pistes de toner dessus. On fait lui fait un bain de solution de chlorure ferrique, qui va dissoudre le cuivre, hormis celui recouvert par le toner. Ainsi, il ne reste plus que les pistes dessus, et à l'aide de forêts plus ou moins fins (0.8mm à 1.5mm en général) on perce les trous. Voici le circuit imprimé terminé et assemblé:

On peut voir le driver laser en bas à gauche, le convertisseur USB vers série en haut à froite et le reste sur le circuit imprimé.
En revanche, comme vous pouvez le voir il y a le mosfet du driver et le régulateur pour celui-ci qui ont été déportés sur la plaque de métal du scanner. C'est pour qu'elle serve de refroidisseur. Elle est pas très épaisse donc la masse thermique était pas super importante. Ainsi pour les longues gravures j'ai fixé un vieux ventirad de carte graphique contre la plaque pour que tout soit bien refroidi. Enfin, avec quelques coups de Dremel encore une fois, tout est rentré dans le graveur en lui même pour que ça soit compact:

Le driver laser possède une entrée pour arrêter l'envoie de courant à la diode. Ainsi, ça été utilisé comme bouton d'arrêt d'urgence de la diode en cas de problème, qu'on peut voir sur cette photo en rouge, à droite de la plaque:

IV - Communication avec le graveur

Comme j'ai expliqué précédemment, le graveur fonctionne avec GRBL par USB grâce à un convertisseur USB sers série que j'avais en rab. Or, ce programme interprête le G-code (langage très répandu pour ce genre de machines). Du coup tout logiciel fénérant du G-code peut être utilisé. Personnellement, j'utilise LaserGRBL qui est prévu pour. Il permet de générer les commandes à partir d'images ou de tracés vectoriels. De plus, il peut directement se connecter au microcontrôleur pour envoyer les commandes, donc tout peut se faire depuis ce logiciel, c'est très pratique et il est très configurables.
Si vous réaliser un graveur similaire vous pouvez utiliser un Raspberry Pi ou un vieux PC avec OctoPrint ou LaserWeb dessus afin de pouvoir piloter le graveur à "distance" en surveillant l'avancée de la gravure.

V - Spécifications du graveur

Le graveur permet de graver jusque 1dam/min (10000mm/min), et cette limitation est due à la structure en aluminium: étant trop haute, lorsqu'on grave à des vitesses plus rapides, elles se met à bouger trop lors des arrêts/changements de direction ce qui rend la gravure imprécise.
La diode peut donner 5W au maximum, cependant j'ai réglé le driver pour qu'il donne 2.5W au max, juste pour que la diode dure plus longtemps. Un problème de cette diode, c'est sa divergence. Lorsque l'objet à graver est assez loin de celle-ci, même si on fait le focus, le point diverge pas mal et rend la gravure imprécise. Du coup, lorsque je grave des objets assez fins, je rajoute des supports en dessous pour le surélever et le rapprocher.
Personnellement, sur mon montage, j'ai une surface de gravure assez importante: 300mm en abscisse et 250mm en ordonnée. Il peut aussi, en plus de graver, découper des matériaux comme du bois fin (contre plaqué par exemple).
Il est possible de graver en 1 bit (noir ou pas gravé) ou en nuance de "gris" (plus ou moins gravé).

VI - Exemples de gravure

Quelques exemples, je me souviens pas des puissances par contre.
Le "logo" de Zelda (d'Hyrule + une épée random qui passe par là) sur du bois (vitesse: 3m/min) :

Un super chouette prénom sur une pistache (vitesse: 5m/min) :

Une vieille photo de profil d'Ari (connaîtra qui voudra, ou pas. vitesse: 4m/min) :

Pendant une gravure de logo :

Le logo de TI sur du plastique (8m/min) :

Sur du pain de mie (j'ai oublié la vitesse mais ça devait être 1dam/min à puissance réduite) :

Après, il faudra que je fasse un test avec du niveau de gris.

VII - Téléchargements

Fichiers Eagle pour les plans et le design: Télécharger
Modèle 3D du support pour ventilateur 40mm sur le refroidisseur en alu SK25: Télécharger