Tech-Ecke / Lasercutter

China Lasercutter - K40

Auf der Suche nach einem Schneideplotter, der auch dünnen Karton bzw. Dichtungspapier schneiden kann, bin ich über den K40 Lasercutter gestolpert. Aufgrund des Preises von nicht einmal 300 EUR und mangels leistungsfähiger Schneideplotter in diesem Preissegment habe ich mich dann kurzerhand für den Lasercutter entschieden und diese Entscheidung bis heute nicht bereut. Ganz im Gegenteil, denn mit dieser kleinen Kiste kann man weit mehr als nur Pappe schneiden.

Das Gerät kommt fertig aufgebaut und mit grob vorjustiertem Laser an, sodass man prinzipiell direkt loslegen könnte. Jedoch empfiehlt es sich, zunächst alle Kabelanschlüsse auf korrekten und festen Sitz zu kontrollieren. Insbesondere die Anschlüsse am Mainboard und die Erdung vom Gehäuse (innen, hinten rechts) wurden von vielen Anwendern im Netz bemängelt. Häufige Fehler und Mängel sind: nicht festgezogene Klemmen, einzelne aufgedröselte Adern, die bis zu benachbarten Klemmen reichen, Erdung ohne Kontakt zum Gehäuse (Lack) und noch vieles mehr. Bei meiner Maschine war dies leider auch nicht anders.




Inhalt



Umlenkspiegel Justieren

Um eine akzeptable Schneideleistung des Gerätes zu bekommen, muss der Laser nach dem Erhalt und prinzipiell nach jedem Transport definitiv justiert werden. Dabei müssen die Umlenkspiegel so ausgerichtet werden, dass der Laserstrahl immer mittig in die dafür vorgesehene Öffnung am Laserkopf trifft – und zwar in jeder möglichen Position. Zudem muss sich der Tisch bzw. die zu lasernde Fläche im richtigen Abstand zur Linse befinden (Fokusbereich).

Aufbau der Lasereinheit

Der Laserstrahl wird in der Röhre erzeugt, verlässt diese seitlich und wird dann über drei Spiegel umgelenkt, trifft dann auf die Linse, wird dort gebündelt und trifft dann letztlich das Werkstück.

Laserröhre und Kreuzsupport ausrichten

Es ist nicht unbedingt notwendig, den Kreuzsupport und die Laserröhre auszurichten, jedoch bin ich der Meinung, dass sich dadurch die Justage der Spiegel spürbar einfacher gestaltet. Man sollte hier zunächst mit dem Kreuzsupport beginnen; dieser muss in sich sauber (parallel und winklig) ausgerichtet sein. Wenn er windschief zusammengenagelt ist, wird das Ausrichten der Spiegel zur Tortur. Bei meinem K40 war dies definitiv die richtige Entscheidung, und mich würde es wundern, wenn von all den K40, die China verlassen haben, meiner der einzige gewesen sein sollte. Mittels digitaler Wasserwaage und ein paar Unterlegscheiben bzw. Ausgleichsblechen ist das eigentlich schnell ausgerichtet.
Danach habe ich die Laserröhre parallel (längs und horizontal) zum Kreuzsupport ausgerichtet. Ja, man kann eine schief im Raum stehende Röhre auch mit dem ersten Spiegel so ausrichten, dass der Laserstrahl diesen parallel verlässt, aber auch hier hat sich gezeigt, dass sich das Einstellen der Spiegel einfacher gestaltet. Je genauer die Röhre parallel und auch in der Höhe (Austritt Röhre zu Eintritt Laserkopf) zum Kreuzsupport steht, desto einfacher wird das Einstellen der Spiegel. Die Höhe der Laserröhre zum Laserkopf lässt sich am besten einstellen, nachdem Spiegel 1 und 2 schon mal vorab ausgerichtet sind.

  

Spiegel ausrichten

Beim Einstellen der Spiegel gilt folgende physikalische Regel: Einfallswinkel = Ausfallswinkel. Wer sich das nicht vor seinem geistigen Auge vorstellen kann, also kein gutes räumliches Vorstellungsvermögen hat, wird sich hier sehr schwertun und eventuell sogar an der Aufgabe verzweifeln. Wer diese Begabung hat und die oben stehenden Tipps zum Ausrichten des Kreuzsupports und der Laserröhre befolgt, hat seinen Laser in weniger als fünf Minuten perfekt ausgerichtet. Die meisten Anleitungen und Videos im Netz sind lückenhaft, erklären aber zumindest grob, wo was eingestellt werden kann, und auch den Trick mit dem Malerkreppband, um zu sehen, wo der unsichtbare Laser auftrifft. Also eventuell zuerst mal solch ein Video anschauen, aber dann wieder hierher zurückkommen und die drei goldenen Regeln beachten.

Die drei goldenen Regeln beim Einstellen der Spiegel:

Kommt der Laserstrahl von der Röhre, kann er nur über das Ausrichten der Röhre selbst raumparallel verlaufen. Diese sollte also parallel zum Kreuzsupport ausgerichtet werden und sowohl horizontal als auch vertikal so eingestellt sein, dass der Laser in der Mitte von Spiegel 1 auftrifft.

  1. man arbeitet sich von Spiegel 1 über Spiegel 2 zum Spiegel 3 vor
  2. zuerst den Laserstrahl raumparallel ausrichten (und auch nur das!)
  3. Nachjustieren der Raumachsen
    • Schießt der Laser parallel, trifft aber nicht die Mitte, so muss Spiegel 2 in seiner Position geändert werden. Hier kommt der entscheidende Vorteil des Optik-Upgrades zum Tragen, denn damit lässt sich der Spiegel seitlich und in der Höhe problemlos einstellen. Bei meinem originalen Spiegelhalter konnte ich die Höhe nicht einstellen und musste mit Unterlegscheiben arbeiten – das funktioniert zwar, ist aber sehr umständlich.

      Ist Spiegel 1 ausgerichtet, geht es mit Spiegel 2 unter Beachtung der Regeln 2 und 3 analog weiter. Ist der Laser zwischen Spiegel 2 und 3 parallel, trifft aber nicht die Mitte, muss jetzt die Laserkopfposition angepasst werden. Horizontal ist das kein Problem, hierfür besitzt das Halteblech Langlöcher für die drei Befestigungsschrauben. In der Höhe muss entweder mit Unterlegscheiben gearbeitet werden oder eben die Laserröhre entsprechend abgesenkt werden. Entscheidet man sich für Letzteres, sollte man auch wieder Spiegel 1 kontrollieren.

      Achtung      : Fehlerquelle Nr. 3: Bei manchen Laserköpfen wird der Laser den Spiegel nicht mittig treffen, obwohl man mittig in die Eingangsöffnung schießt. Das soll die folgende Skizze verständlich machen:

 

Sitzt der Spiegel im Laserkopf nicht dort, wo er eigentlich sitzen müsste (Konstruktionsfehler 3–4), kann man zwar trotz mittiger Eingangsöffnung den Laser dazu bringen, wieder unten auszutreten (3), aber das führt zu Leistungsverlusten und schrägen Schnittkanten. Entweder alles passt, wie es sein soll (1), oder man muss hier eben nicht die horizontale Mitte der Öffnung anpeilen, sondern höher oder tiefer – je nachdem, wie der Spiegel im Kopf sitzt. Am einfachsten findet man dies heraus, indem man eine Sperrholzplatte schräg in den Raum stellt und eine Linie lasert. Genauso wie beim Ermitteln des Fokus, aber nicht von links nach rechts (wie auf dem folgenden Bild zu sehen ist), sondern von hinten nach vorne. Der Strich sollte seitlich (parallel zum Gehäuse) nicht wegwandern.

Fokus einstellen

Ebenso wichtig wie das Einstellen des Laserstrahls ist auch das Einstellen des Fokus. Hierbei muss der perfekte Abstand von Linse zu Werkstück getroffen werden. Am schnellsten ermittelt man den richtigen Abstand, indem man eine Linie auf ein schräg im Raum platziertes Sperrholz lasert. Der Fokus ist dort, wo die Einbrandlinie am dünnsten ist. Hier ist die Laserintensität am größten, und diese Höhe sollte dann durch die Ausrichtung des Tisches in der Mitte des Werkstücks liegen – zumindest, wenn man mit dem Laser Dinge schneiden möchte. Möchte man nur gravieren, so muss der Fokus auf die Werkstückoberfläche gelegt werden.

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Die Linienbreite bei Punkt A (Start) findet sich bei Punkt B wieder; mittig davon liegt der Fokus. In meinem Fall genau 59,0 mm unter der Oberkante der Längsschlittenschiene. Das habe ich auch mal mit einem Edding festgehalten und kann dies jederzeit mit einem Tiefenmessschieber kontrollieren. Aber das Werkstück in den Fokus zu bringen, geht auch eleganter, als jedes Mal den Tiefenmessschieber zu bemühen – siehe Fokusfinder unter Optik-Upgrade.


Um- und Anbauten

Zwar sind die hier aufgeführten Umbauten für einen zufriedenstellenden Betrieb nicht zwingend notwendig, jedoch ist das Anbringen einer Kühlmitteltemperaturanzeige quasi Pflicht – siehe Kühlung. Das Potentiometer-Upgrade und die Luftspülung des Laserkopfes sind dennoch sehr empfehlenswert. Aber auch der Umbau des Werkstücktisches ist eine sinnvolle Sache, wenn man überwiegend flache Materialien lasert


Temperaturanzeige Kühlmitteltemperatur (Pflicht-Upgrade)

Der Kühlmitteltemperatur wird im allgemeinen zu wenig Beachtung geschenkt.  Zumindest  wird das Thema in Foren und Videos, rund um den K40 nur am Rande erwähnt. Fakt ist allerdings, dass sich CO2-Laserröhre bei Temperaturen von 15-20 °C am wohlsten fühlen (genauer Wert ist typenabhängig). Betreibt man den Laser bei Kühlmitteltemperaturen von mehr als 25 °C, so erhöht sich der Verschleiß signifikant. An manchen Stellen im Netz ließt man von einem Einbruch der Standzeit um 50%. Ab 40 °C kann es angeblich sogar zu einem abrupten Totalausfall der Röhre kommen.
Bei Industrielasern werden sogenannte "Chiller" eigesetzt, welche die Temperatur des Kühlmittels relativ konstant, im optimalen Temperaturbereich der eingesetzten Laserröhre halten. Solche Chiller übersteigen allerdings die Kosten einer neuen Röhre um das 5-fache und mehr, weshalb es sich durchaus rechnen kann die Röhre einem erhöhten Verschleiß auszusetzen und Temperaturen von bis zu 30 °C zuzulassen. Jedoch gibt es auch eine kostengünstige Alternative - siehe

Der Kühlmitteltemperatur wird im Allgemeinen zu wenig Beachtung geschenkt. Zumindest wird das Thema in Foren und Videos rund um den K40 nur am Rande erwähnt. Fakt ist allerdings, dass sich CO2-Laserröhren bei Temperaturen von 15–20 °C am wohlsten fühlen (der genaue Wert ist typenabhängig). Betreibt man den Laser bei Kühlmitteltemperaturen von mehr als 25 °C, so erhöht sich der Verschleiß signifikant. An manchen Stellen im Netz liest man von einem Einbruch der Standzeit um 50 %. Ab 40 °C kann es angeblich sogar zu einem abrupten Totalausfall der Röhre kommen.

Bei Industrielasern werden sogenannte „Chiller“ eingesetzt, welche die Temperatur des Kühlmittels relativ konstant im optimalen Temperaturbereich der eingesetzten Laserröhre halten. Solche Chiller übersteigen allerdings die Kosten einer neuen Röhre um das Fünffache und mehr, weshalb es sich durchaus rechnen kann, die Röhre einem erhöhten Verschleiß auszusetzen und Temperaturen von bis zu 30 °C zuzulassen. Jedoch gibt es auch eine kostengünstige Alternative – siehe Low-Budget Chiller weiter unten. 


Geschlossene Wasserkühlung

Die Kühlung der CO2-Laserröhre erfolgt mittels Wasser. Bei meinem Laser war hierzu eine Aquariumpumpe und etwa 3 m passender Schlauch dabei. Man sieht oft, dass die Pumpe einfach in einen Bottich mit Wasser geworfen wird – und das war’s. Okay, das funktioniert, aber stilvoll ist das nicht. Ich hatte noch eine alte PC-Wasserkühlung mit Wärmetauscher und Eheim-Pumpe, welche sich hervorragend für den Bau eines geschlossenen Kühlkreislaufs eignet. Das Ganze lässt sich dann auch mit Frostschutzmittel betreiben, was der Röhre im Winter schon mal den Arsch retten kann, falls das Gerät in einer unbeheizten Umgebung gelagert wird. Im Grunde benötigt man nur einen Wärmetauscher mit Lüfter (2), eine solide Pumpe (1) und einen Ausgleichsbehälter (3). Pumpen inklusive Ausgleichsbehälter bekommt man auch als eine Einheit im PC-Wasserkühlungszubehör. Mein Ausgleichsbehälter besteht aus einer simplen 500-ml-Kunststoffflasche, der ich mittels Schraubtülle einen Ein- und Auslauf verpasst habe.


Allerdings arbeitet die Kühlung, insbesondere im Hochsommer oder bei längerem Lasereinsatz nicht ausreichend genug um unter der 25 °C Marke zu bleiben. Aus diesem Grund wird es hier ein Upgrade geben und zwar den "Low-Budget-Chiller".


Low-Budget Chiller

In der PC-Welt ist es aktuell gerade hip, seine übertaktete CPU per Peltier-Elemente kühl zu halten, was an dieser Stelle eine große Auswahl an Komponenten zu günstigen Preisen beschert. Als Herzstück kommt bei mir ein Dual-Peltier-Kühler mit 2×60 W zum Einsatz. Dieser besitzt auf der Kaltseite ebenfalls einen Kühler als Wärme- bzw. Kältetauscher, welcher gegen einen Aluminium-Wasserwärmetauscherblock ausgetauscht wurde. Ein XH-W3001-Temperaturschalter schaltet die Peltier-Elemente bei Bedarf ein und aus und sorgt so für eine einigermaßen konstante Kühlwassertemperatur.


Um die benötigten 12 V in ausreichender Stromstärke bereitzustellen, muss natürlich noch ein zusätzliches Netzteil verbaut werden.

Die original verbauten Peltier-Elemente (TEC1-12706) hatten keine 10 A, welche die angegebenen 120 W bestätigen würden. Direkt nach dem Einschalten ziehen beide Elemente zusammen gerade einmal 5,4 A und fallen dann, nach Erreichen einer Temperaturdifferenz von knapp 60 °C (5 °C und +55 °C), auf 4,5 A ab. Die Werte habe ich ohne Lüfter und Kühlwasser, am angebauten Wasserwärmetauscher und Kühlkörper gemessen. Ergo werden nur ca. 60–70 W umgesetzt und nicht, wie angegeben, 120 W. Mehr Hintergrund hierzu auf der Peltier-Element-Seite. Zieht man dann noch den bescheidenen Wirkungsgrad der Peltier-Elemente in Betracht, so bleibt wohl nicht viel Kühlleistung übrig. Umso mehr war ich überrascht, als sich beim ersten Probelauf nach relativ kurzer Zeit eine Absenkung der Kühlwassertemperatur um 6 °C gegenüber der Raumtemperatur eingestellt hat. Da komme ich später noch einmal dazu – jetzt wird erst einmal eingebaut.

Ich hatte mir mangels genauerer Maße auf Verdacht einen 120-mm-Wasserwärmetauscher bestellt; dieser erwies sich jedoch als 20 mm zu kurz, zumindest für einen reibungslosen Umbau. Der Plan war: kühlseitigen Luftwärmetauscher und Lüfter herunter und Wasserwärmetauscher drauf – fertig. Aber der Kühlkörper ist auf der Rückseite nicht eben, weshalb die Anschlussflächen für die Peltier-Elemente partiell plangefräst wurden. Deswegen konnte ich die Elemente nicht einfach auf die 120 mm des Wärmetauschers zusammenrücken und musste zunächst einmal eine der beiden Planflächen vergrößern. Dazu habe ich natürlich meine Eigenbau-CNC-Fräse benutzt.

Danach kamen die Peltier-Elemente mit einem Tupfer Wärmeleitpaste wieder auf den Kühler und obendrauf der Wärmetauscher. Das Sandwich wird mit zwei 20×4-mm-Aluprofilen zusammengeklemmt. In diesem Zustand erfolgte der erste Test bezüglich der Leistungsaufnahme. Mit den daraus resultierenden und weitergehenden Erkenntnissen würde ich heute einen 160-mm-Wärmetauscher und ein drittes Peltier-Element ordern, denn der Kühler kann tatsächlich mehr als nur zwei TEC1-12706 verkraften.

Am Lasergehäuse habe ich dort, wo sich die Lüftungsschlitze befanden, eine Öffnung von 195×95 mm ausgeschnitten. Mit einer Stichsäge und einem Metallsägeblatt geht das erstaunlich einfach. Den Kühler habe ich mit Stehbolzen so am Gehäuse befestigt, dass die Lüfter plan mit dem Gehäuse abschließen. Dann habe ich noch alle Spalte mit selbstklebenden Moosgummistreifen abgeklebt – und fertig ist der Kühlereinbau.

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Um möglichst wenig Kühlleistung an die Umgebung abzugeben, habe ich allen Schläuchen eine 8×6-mm-EPDM-Isolierung verpasst und den Wärmetauscher, den Ausgleichsbehälter und die Pumpe in ein Moosgummi-Mäntelchen gepackt.
Die Lüfter schaufeln die Luft aus dem Gehäuse heraus, was übrigens auch der originale Lüfter auf der Rückseite des Gehäuses versucht. Naja, er versucht es aber auch nur, da er gegen die deutlich stärkere Rauchgasabsaugung den Kürzeren zieht und quasi wirkungslos vor sich hin rotiert. Auch ist das Loch im Gehäuse viel zu klein für einen 100-mm-Lüfter, was dem Ganzen noch die Krone aufsetzt. Ich habe als Erstes alle Öffnungen vom Arbeitsbereich zum Elektronikfach so gut es ging geschlossen, sodass die Rauchgasabsaugung möglichst wenig Luft aus dem Elektronikkasten wegziehen kann. Ganz dicht bekommt man das, ohne großen Aufwand zu betreiben, nicht hin, aber man kann es etwas eindämmen. Dann habe ich den 100er-Lüfter (230 V) gegen einen 80er (12 V) getauscht und lasse diesen jetzt Luft ins Gehäuse blasen, was in Kombination mit den Kühlerlüftern ein "Push and Pull" aufbaut.

Zum Schluss habe ich noch den XH-3001 Temperatuschalter mit ins Spiel gebracht, der die Peltier-Elemente nur dann bestromt, wenn die eigestellte Temperatur, von 18,3 °C überschritten wird und wieder ausschaltet, wenn 18 °C erreicht werden. Man könnte die Hysterese auch enger halten, aber das hätte dann ein häufigeres Ein- und Ausschalten der Peltier-Elemente zur Folge, was sich leider negativ auf deren Lebensdauer auswirkt. Besser wäre wohl eine konstante Bestromung mit Leistungsregelung...

Informationen zum Temperaturregler und die STL-Daten für den Einbaurahmen gibt es auf der  XH-W3001 Seite.

Vorläufiges Fazit: Ohne das Isolieren der Schläuche, des Wärmetauschers, der Pumpe und des Ausgleichsbehälters würde es die Kühlung wahrscheinlich nicht schaffen, die Temperatur signifikant abzusenken. Dennoch bin ich überrascht, wie weit das Kühlwasser heruntergekühlt werden kann. Bei einer Raumtemperatur von 22 °C kommt man mit etwas Geduld auf 14 °C und darunter. Aber für einen Dauerbetrieb mit Leistungen über 6 mA im Schneidebetrieb reicht die Kühlung nicht aus. Man muss bei Kleinserien immer wieder kurze Pausen einlegen, damit sich die Temperatur wieder absenken kann.

Mehr Kühlleistung durch stärkere Peltier-Elemente

Wie eingangs erwähnt, war ich über die geringe Leistung der Elemente gestolpert und dachte mir, da muss doch noch mehr gehen. Verbaut waren zwei TEC1-12706, die bei 12 V zusammen einen Startstrom von ca. 10 A ziehen müssten, was sie aber nicht taten. Mehr Hintergrund hierzu ist auf der Peltier-Element-Seite zu finden. Letztlich habe ich nun aus meiner Sammlung zwei Elemente herausgepickt, welche bei 12 V die besagten 10 A Startstrom ziehen (ohne Spannungs-/Stromregelung) – und voilà, die Kühlung arbeitet nun deutlich besser.

Endgültiges Fazit: Für meine gelegentlichen Laserarbeiten ist die Kühlung vollkommen ausreichend. Aufgrund der immer noch erstaunlich moderaten Wärmeentwicklung des Kühlers sind hier sicherlich auch mehr als 10 A an Elementleistung und somit mehr Kühlleistung möglich. Da mein aktuell verbautes Netzteil jedoch nur max. 12,5 A liefert, belasse ich es dabei.

Übrigens: Theoretisch könnte man mit der Peltier-Technik sogar eine Klimatisierung realisieren. Kehrt man die Polarität am Element um, wird der Kühler zum Heizer und könnte im Winter die Temperatur vor der Benutzung des Lasers sogar auf die von mir gewählte 18 °C anheben. Hm... schauen wir mal ;-)


Potentiometer-Upgrade

An dieser Stelle sei erwähnt, dass es neben weiteren Händler-Derivaten zwei Hauptversionen des K40 gibt: die klassische Version mit Amperemeter und Poti, auf die sich das Upgrade ausschließlich bezieht, und die Upgrade-Version mit Digitalanzeige. Wer die Wahl hat, sollte aus meiner Sicht auf die klassische Version zurückgreifen, da sich die Digitalanzeige wie auch der Potentiometer nicht linear zur Laserschnittleistung verhält. Eine 50%-Einstellung bedeutet also nicht gleich 50% Laserleistung – meine Maschine erreicht die maximale Schnittleistung bereits bei 45% (12 mA). Alles, was darüber liegt, bringt keine Erhöhung der Schnittleistung, belastet aber die Röhre zusätzlich. Da der Upgrade-Version das Amperemeter fehlt, wird man um eine Nachrüstung nicht umhinkommen, möchte man seine Maschine bzw. die Laserröhre nicht unnötig belasten.

Der originale Potentiometer der klassischen Version lässt leider nur eine relativ grobe Einstellung zu, was mir beim Gravieren von sensitiven Materialien zu ungenau ist. Auch tendiert man dazu, die Laserleistung beim Schneiden eher höher einzustellen, als man sie tatsächlich benötigt – das geht zu Lasten der Lebensdauer der CO2-Röhre. Darum habe ich den originalen Potentiometer gegen einen präziseren ausgetauscht. Die Wahl fiel auf den 10-Gang-Präzisionspotentiometer 3590S-2-10L mit einem Nennwiderstand von 1 kOhm.

Die weiter unten aufgeführten Einstellwerte beziehen sich alle auf einen 1kOhm-10-Gang-Potentiometer. Für Geräte mit digitaler Einstellung ist dieses Upgrade natürlich nicht möglich, und somit sind die Einstellwerte auch nur bedingt nutzbar, da die Laserleistung leider nicht linear zum eingestellten Widerstand ist :-/


Luftspülung des Laserkopfes (Fokuslinse)

Die Luftspülung des Laserkopfes, oft auch Air-Assist genannt, bietet beim Schneiden gleich mehrere Vorteile. Zum einen wird das Beschlagen der Linse verhindert, zum anderen werden Schmauchspuren am Werkstück deutlich reduziert. Außerdem verbessert das Wegblasen des Verbrennungsqualms die Eindringtiefe des Lasers. Besonders bei Holz macht sich eine Luftspülung deutlich bemerkbar.

Für den originalen Druckkopf gibt es diverse 3D-Drucke, um eine Luftspülung mittels Ventilator oder Druckluft anzubauen. Am effektivsten ist jedoch das Einblasen der Luft in den Laserkopf. Der Überdruck im Kopf, direkt unterhalb der Linse, verhindert deren Beschlagen durch Verbrennungsqualm optimal und die Luft wird direkt senkrecht in die Schnittstelle geleitet. Entscheidet man sich für ein Upgrade des Laserkopfes, ist in aller Regel ein Druckluftanschluss (3) mit an Bord. Hier kann man mittels Druckminderer seinen Werkstattkompressor anschließen oder, um mit der Kiste autark zu bleiben, auch einen kleinen Kompressor bzw. eine Luftpumpe einbauen. Als Schlauch nutze ich aktuell einen 4-mm-Polyurethan-Druckluftschlauch (2).

Am Anfang hatte ich die DAYPOWER LP15-24 (1) zum Spülen benutzt. Beim Einbau des Low-Budget-Chillers habe ich, dank ausreichend großem Zusatznetzteil, auf die DAYPOWER LP36-12 aufgerüstet. Diese liefert mit 15 l/min das Zehnfache an Luftvolumen im Vergleich zur alten Pumpe und kann somit auch als Air-Assist eingesetzt werden. Die Pumpe wird mittels PWM 1803BK geregelt, um den Luftstrom regulieren zu können. Viel Luft ist zwar bei Holz dienlich, bei Plexiglas führt es jedoch beispielsweise zu rauen Schnittkanten. Eine Linsenspülung mit wenig Luft ist aber in jedem Fall immer sinnvoll.


Bild updaten !!!

Hier mal eine Skala für den Drehknopf des PWM 1803BK in Verwendung mit der DAYPOWER LP36-12 zum Lasern auf selbstklebende Folie.

PWM 1803BK Skala
Pumpenhalter als STL zum Drucken gibt es hier


Umbau des Werkstücktisches

Zum Thema Werkstücktisch findet man zahlreiche, zum Teil auch höhenverstellbare Konstruktionen im Netz. Wenn man hauptsächlich dünne Werkstücke wie Dichtungen, Sperrholz- und Acrylplatten (< 4 mm) lasert, ist eine Verstellung eigentlich nicht notwendig. Mit einem festen Tisch, bei dem der Fokus ca. 1 mm über der Werkstückauflage eingestellt ist, schneidet man problemlos Plattenmaterial bis 4 mm, ohne schräge Seitenflächen zu produzieren. Mein einfacher, fester Tisch besteht aus einem 15-mm-Aluwinkelprofil mit 1,2 mm Streckmetall als Auflage. Beides gibt es recht günstig in fast jedem Baumarkt. Der Rahmen sitzt bei mir auf vier Aluminiumröhrchen. Auf der einen Seite habe ich einen Neodym-Magneten befestigt und die andere Seite von unten mit dem Boden verschraubt. Vier weitere Neodym-Magnete klemmen dann den Rahmen auf die Röhrchen.

Zum Einbau des neuen Tisches muss zunächst der werkseitig verbaute Werkstück-Klemmhalter entfernt und der Absaugkanal gekürzt werden. Da es hierzu ausreichend Informationen im Netz gibt, spare ich mir an dieser Stelle weitere Details.

Um im Bedarfsfall dickere Werkstücke (> 4 mm) gravieren zu können, habe ich mir aus dem Laborzubehör einen kleinen Hubtisch aus Edelstahl gegönnt. Bislang kam er jedoch noch nie zum Einsatz – aber lieber man hat ihn und braucht ihn nicht, als man braucht ihn und hat ihn nicht :-)



Optik-Upgrade (Cloudray)

Die Spiegelhalter und der Laserkopf sahen bei meinem K40 aus, als hätte man mit Ausschussteilen noch etwas halbwegs Brauchbares zusammengenagelt. Ich denke nicht, dass dies auf alle Geräte zutrifft. Für ein paar Euro bekommt man aber ein komplettes Optik-Set (z. B. Cloudray), das einen deutlich wertigeren Eindruck macht. Zudem besitzt der Laserkopf einen Anschluss für eine Luftspülung, was beim originalen nur mit zusätzlicher Bastelarbeit zu bewerkstelligen ist. Die K40 Upgrade Sets findet man auf allen bekannten Online-Verkaufsplattformen und besonders günstig auf den Plattformen des Erzeugerlandes.

Interessant ist, dass die Sets zwar explizit für den K40 angeboten werden, aber nicht ein einziges Teil ohne Änderungen passt. Mit neuen Löchern und etwas Feilen passen die Spiegelhalter jedoch recht schnell. Der Laserkopf erfordert etwas mehr Aufwand, und es empfiehlt sich hier der Einsatz einer Drehmaschine. Denn der Kopf muss deutlich verkürzt werden, damit er ohne größere Umbauten am Gerät selbst passt. Dazu habe ich das Zwischenstück so weit gekürzt, bis nur noch das untere Gewinde stehen blieb. Mit dessen Hilfe habe ich dann den Kopf und das Unterteil zusammengeschraubt. Damit der Air-Assist-Schlauch nicht vorne am Kreuzsupport anschlägt, habe ich die Schraubtülle weiter nach oben gesetzt und das alte Loch mit Kleber verschlossen (Abb. links original, rechts modifiziert).

Nachtrag 23.09.2023: Mittlerweile findet man auch passende Optik-Sets für den K40 im Netz, die eins zu eins getauscht werden können und ebenfalls einen Anschluss für eine Luftspülung/Air-Assist besitzen


Positionierhilfe und Fokusfinder

Für einen weiteren Umbau habe ich mir eine neue Laserkopfaufnahme konstruiert, die zusätzlich noch zwei Lasermodule aufnehmen kann. Ein Modul ist ein Punktlaser, das andere ein Linienlaser. Mit dem Punktlaser lässt sich die aktuelle Laserposition auf dem Werkstück sichtbar machen. In Kombination mit einem Linienlaser kann man erkennen, ob der Fokusbereich zur aktuellen Werkstoffdicke bzw. Tischposition passt. Hierzu muss man einmal den Fokus einmessen und einstellen. Dann bringt man beide Laser übereinander, sodass sie sich genau im Fokusbereich überschneiden – also dass der Punkt genau auf der Linie liegt. So eingestellt erkennt man schnell, ob der Tisch zum aktuell aufgelegten Werkstück zu hoch oder zu tief eingestellt ist.

Ist der Aufbau gleich der Abbildung, so wird bei einem zu hoch eingestellten Fokus (Abstand zu groß – Tisch zu niedrig) der Punkt rechts von der Linie liegen, bei zu niedrigem Fokus (Abstand zu klein – Tisch zu hoch) wird der Punkt links von der Linie liegen.


Für den Bau des Halters benötigt man außer den 3D-Druckteilen noch: 5× Gewindeeinsatz M3×5, 4× Schraube M3×12, 4× U-Scheibe M3, 2× Schraube 2,5×10 und natürlich zwei Lasermodule (Punkt und Linie) mit einem Durchmesser von 12 mm, z.B. von GALDOEP.

Die 3D-Druckteile können hier als STL, IGS und STEP heruntergeladen werden.

Laserkopfhalter


     
Spiegelbefestigung

Nach ca. 2 Jahren bemerkte ich einen signifikanten Einbruch der Laserleistung, den ich zunächst auf eine verschlissene CO2-Röhre schieben wollte. Die Leistung war jedoch nicht konstant schlecht, sondern mal halbwegs okay und dann im selben Schnitt an unterschiedlichsten Stellen komplett unterirdisch, sodass selbst 0,5 mm dünnes Dichtungspapier nicht mehr nahtlos durchtrennt wurde. Des Rätsels Lösung waren lose Spiegel an beiden Spiegelhaltern. Durch die Erschütterungen, die von den Schrittmotoren verursacht werden, hatte sich der Haltering der Spiegel gelöst und die Spiegel fingen an zu vibrieren. Um ein erneutes Lösen zu verhindern, habe ich mir aus Dichtungspapier kleine Ringe gelasert, die ich zwischen Haltering und Spiegel gepackt habe. Seitdem sitzen die Spiegel fest und nichts löst sich mehr. Okay, ein Tropfen Schraubensicherung hätte es auch getan, aber wenn man schon mal einen Lasercutter besitzt... :-)


Software

Bei meinem Laser lag CorelDRAW inklusive des benötigten Dongles bei. Bei dem Gesamtpreis vermutlich keine Originalversion? Wie auch immer, überzeugt hat mich die Software ohnehin nicht und die CD samt Dongle sind im Müll gelandet. Stattdessen werkelt bei mir K40-Whisperer in Kombination mit Inkscape – beides Freeware. K40-Whisperer arbeitet jedoch nicht mit jedem K40 zusammen, es kommt auf das verbaute Mainboard an. Unterstützte Boards, Download und Infos zur Installation gibt es auf der Seite des Autors Scortchwork. Inkscape ist hier erhältlich. Vor dem Download sollte man auf der Scorchwork-Seite nachsehen, welche Inkscape-Version mit K40-Whisperer zusammenarbeitet. Ich arbeite mit K40-Whisperer V0.30 und Inkscape v0.92.0.

Generell lässt sich sagen, dass alle K40-Laser, die mit CorelDRAW ausgeliefert wurden, mit K40-Whisperer kompatibel sind (Lihuiyu-Board).

Was mich an K40-Whisperer überzeugt: Es ist einfach, schlicht und fokussiert sich auf das Wesentliche. Dadurch ist die Bedienung intuitiv, und es kommt ohne nerviges Setup oder Abhängigkeiten wie.NET, Java oder sonstigen Schnickschnack aus. Einfach entpacken, starten und loslegen – und das selbst auf meinem 20 Jahre alten XP-Laptop, der am Laser hängt... ganz nach meinem Geschmack und daher wirklich genial!

K40-Whisperer unterstützt DXF-Dateien (2D), welche von beinahe jedem CAD-System ausgegeben werden können, und in Kombination mit Inkscape auch SVG-Dateien.

Das Arbeitsprinzip ist simpel und leicht verständlich. Bei einer rein schwarzen DXF-Zeichnung werden alle Linien gemäß der eingestellten Geschwindigkeit unter [Vector Cut] abgefahren und bei entsprechend eingestellter Laserleistung geschnitten. Besitzt das DXF neben Schwarz auch noch Rot und/oder Blau, so werden die Linienzüge gemäß deren Farbe separat über die Buttons "Raster Engrave", "Vector Engrave" und "Vector Cut" abgefahren, wobei "Raster Engrave" die Linien nicht abfährt, sondern zeilenweise verarbeitet. Somit lässt sich ein Werkstück nacheinander beschriften und ausschneiden.

Was mir an Inkscape gefällt: Es arbeitet mit K40-Whisperer zusammen und stellt eine Alternative zum CAD dar bzw. ermöglicht es, DXF-Zeichnungen einzufärben, wenn dies vom CAD selbst nicht unterstützt wird. K40-Whisperer erkennt die Farben nur dann, wenn diese auch eine 100% Farbsättigung besitzen. In Integer-RGB also Rot = 255.0.0, Blau = 0.0.255 und Schwarz = 255.255.255.


Einstellparameter

Für die wichtigsten Werkstoffe habe ich mir kleine Testtäfelchen mit den jeweiligen Einstellwerten graviert und ausgeschnitten. Diese liegen in meiner Maschine auf dem Luftabsaugkanal als Referenzen griffbereit.

Die folgende Tabelle enthält Einstellparameter, mit denen ich verschiedene Materialien lasere. Diese Werte sind nicht für jede Maschine gültig und sollten anderen eher als grobe Orientierung dienen. Zudem gibt es starke Schwankungen beim Werkstoff, insbesondere bei Holz. Bei Pappelsperrholz kommt es beispielsweise nicht nur auf die individuelle Holzstruktur an, sondern auch auf den verwendeten Kleber und die Pressung. Deshalb müssen von Baumarkt zu Baumarkt zum Teil recht unterschiedliche Werte eingestellt werden.

Der Poti-Wert bezieht sich auf den Potentiometer der Laserleistung unter Verwendung eines 10-Gang Präzisionspotentiometers. Die mA-Werte sind aufgrund der schlechten Ablesbarkeit auf ganze Zahlen gerundet, darum steht bei Poti 1,5 und 2,0 jeweils 5 mA – das macht an meiner Maschine jedoch den Unterschied zwischen "geht gerade so" oder "passt".

Hinweis: Ich habe meine originale CO2-Röhre gegen eine TEN-High (700 mm, 40 W) getauscht. Der Leistungszugewinn ist derart signifikant, dass meine alten Werte nicht mehr passen. Die Liste wird sich daher erst wieder langsam füllen und bezieht sich ab sofort auf die TEN-High-Röhre, mit der ich aktuell sehr zufrieden bin. Ja, sie ist deutlich teurer, aber auch deutlich besser und ihr Geld wert

Werkstoff     Stärke     Schneiden     Gravieren     Air-Assist Schneiden
Holz                
Balsaholz   3,0 mm   noch nicht ermittelt   noch nicht ermittelt   x L/min
Balsaholz   3,5 mm   noch nicht ermittelt   dto.   x L/min
Balsaholz   4,0 mm   noch nicht ermittelt   dto.   x L/min
Pappelsperrholz1   3,0 mm   noch nicht ermittelt   noch nicht ermittelt   x L/min
Pappelsperrholz4   3,5 mm   Poti. 3,5 - 6,5 mA - 14 mm/s   Poti. 2,0 - 5,5 mA - 300 mm/s   9 L/min
Pappelsperrholz2   4,0 mm   noch nicht ermittelt   dto.   x L/min
Möbelrückwand3   3,0 mm   noch nicht ermittelt   noch nicht ermittelt   x L/min
Abachi   3,0 mm   noch nicht ermittelt   noch nicht ermittelt   x L/min
Kiefer   3,0 mm   noch nicht ermittelt   noch nicht ermittelt   x L/min
Dichtungspapier                
Universal (hell)   0,5 mm   noch nicht ermittelt   -   x L/min
Elring Abil N   0,25 mm   Poti. 2,0 - 5,5 mA - 28 mm/s   -   10 L/min
Elring Abil N   0,5 mm   noch nicht ermittelt   -   x L/min
Elring Abil N   0,75 mm   Poti. 3,0 - 6 mA - 25 mm/s   -   10 L/min
Gummikork   2,0 mm   noch nicht ermittelt   -   x L/min
Kunsstoffglas                
Plexiglas (PMMA)4   3,0 mm   Poti. 4,0 - 9 mA - 10 mm/s   Poti. 1,6 - 5 mA - 300 mm/s   3 L/min
Hobbyglas GuttaGlis2   2,0 mm   Poti. 2,0 - 5,5 mA - 16 mm/s (3x)   Poti. 1,7 - 5 mA - 300 mm/s   3 L/min
Sonstiges                
LaserFoliePlus5   0,2 mm   Poti. 1,5 - 5 mA - 22 mm/s   Poti. 1,3 - 4 mA - 300 mm/s   15 L/min
Gravurtafel Alu/sw   1,35 mm   Poti. 3,5 - 7 mA - 22 mm/s   Poti. 1,5 - 5 mA - 300 mm/s   15 L/min
technischer Wollfilz6   4,0 mm   Poti. 3,5 - 7 mA - 15 mm/s   -   10 L/min
"   8,0 mm   Poti. 4,0 - 9 mA - 14 mm/s (2x)   -   10 L/min

1) Toom Baumarkt
2) Hornbach
3) Möbelrückwand Natur von Toom, die 4 mm Variante von Hornbach lässt sich nicht schneiden
4) Amerikanisches Online-Auktionshaus
5) LaserFoliePlus Aluminium Optik - Duallayer für Alu/schwarz - sehr empfehlenswert - gekauft bei Encuma
6) Stinkt wie sau und Schnittkanten werden stark angekokelt, lässt sich aber z.B. mit einer Schrubbfeile etwas reinigen (Kokel abkratzen).

Acrylglas

Bei der Auswahl von Acrylglas zum Lasercutten muss man genau aufpassen. Zum einen sollte man darauf achten, dass man wirklich Acrylglas, also Polymethylmethacrylat (PMMA), und nicht versehentlich Polystyrolglas kauft. Letzteres lässt sich schlecht bis gar nicht lasern. Leider werden beide Varianten umgangssprachlich gerne als Plexiglas bezeichnet, wobei Plexiglas ein Markenname der Firma Röhm GmbH ist und tatsächlich ein Acrylglas ist. Aber selbst bei Acrylglas muss man zwischen den Untervarianten XT und GS unterscheiden. GS steht für gegossenes Acrylglas und ist das, was man für die Laserbearbeitung haben möchte. XT ist extrudiertes Acrylglas und für das Lasern nicht so gut geeignet. Beim Lasern, egal welchen Typs, immer mit Absaugung arbeiten – die Dämpfe sind gesundheitsschädlich!




Grenzwerte

Wer lange Zeit an seinem Laser Freude haben möchte, sollte diesen nicht im Grenzbereich betreiben. Das gilt sowohl für die Mechanik als auch für den Laser selbst. Auch wenn die Werte von Maschine zu Maschine aufgrund von Fertigungstoleranzen abweichen können, habe ich an meinem Gerät folgende Grenzwerte ermittelt:

Laserleistung:

Je höher die eingestellte Leistung, desto schneller schreitet die Alterung der CO2-Laserröhre voran. Allgemein wird die Lebenserwartung von CO2-Röhren mit 1500–2000 Stunden angegeben. Diese Zeiten werden jedoch unter Laborbedingungen ermittelt, also zum Beispiel bei 80 % Leistung, im kontinuierlichen Betrieb und bei konstanter Temperatur im Idealbereich. Tatsächlich wird die Lebensdauer der K40-Röhre im Alltagsbetrieb vermutlich geringer ausfallen. Zum einen wird die Laserröhre nicht unter Laborbedingungen betrieben, zum anderen handelt es sich hier um ein Low-Budget-China-Produkt. Beim Schneiden sollte man daher nur so viel Leistung abrufen, wie tatsächlich benötigt wird, um durch das Material zu kommen. Mein Laser hat seine maximale Schneidleistung bei etwas unter 12 mA, alles darüber scheint ohnehin überflüssig zu sein und belastet nur unnötig die CO2-Röhre. Ich habe auch den Verdacht, dass meine Röhre nicht optimal ist, und werde bei Gelegenheit auf die TEN-High-40W-700 mm-Röhre aufrüsten. Diese soll gegenüber der originalen Röhre eine spürbar bessere Schnittleistung haben. 12 mA ist für mich aktuell die oberste Grenze – und das auch nur, wenn es das Material erfordert.

Temperatur/Kühlung:

Ich versuche die Kühlmitteltemperatur möglichst nicht über 25 °C ansteigen zu lassen, was im Sommer recht schwierig zu bewerkstelligen ist. Siehe Kühlmitteltemperaturanzeige und Low-Budget Chiller. 

Geschwindigkeit:

Beim Rastergravieren von Motiven strebe ich eine Geschwindigkeit zwischen 250 - 300 mm/s an. Über 350 mm/s kommt es bei meiner Maschine zu Schrittverlust bei den Steppern und somit zu verzerrten Motiven. Wie im Netz zu finden ist gehen manche bis 500 mm/s ??? Eventuell müsste ich hier auf Stepper mit höherer Haltekraft updaten?
Beim Vektorgravieren fahre ich max. 50 mm/s. Bei großen Motiven mit weichem Übergang, also ausreichend große Radien auch mal etwas darüber. Bei engen kantigen Motiven mit viel Richtungswechsel, wie z.B. kleine Schrift fahre ich nicht mehr als 35 mm/s.
Beim Schneiden liegt man, wenn es sich nicht gerade um Papier dreht, in der Regel ohnehin unterhalb der kritischen Grenze von 50 bzw. 35 mm/s um durch Material zu kommen.


Die Option Drucken funktioniert erst ab Netscape V4.0 bzw. I-Explorer 5.0 !/h6>
[erstellt 04.03.2020 - letzte Aktualisierung: 23.09.2023]