Tech-Ecke / Lasercutter

China Lasercutter - K40

Auf diesen Seiten möchte ich ein paar Informationen rund um den China Lasercutter K40 zusammentragen. z.B. Softwarealternative, empfehlenswerte Umbauten, Einstellungen, etc.
Auf der Suche nach einem Schneideplotter, der auch dünnen Karton bzw. Dichtungspapier scheiden 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 kurzer Hand 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, so dass man prinzipiell direkt schon loslegen könnte. Jedoch empfiehlt es sich zunächst mal alle Kabelanschlüsse auf korrekten und festen Sitz zu kontrollieren. Insbesondere bei den Anschlüssen am Mainboard und die Erdung vom Gehäuse (innen, hinten rechts) wurden von vielen Anwendern mit Netz bemängelt. Häufige Fehler und Mängel sind: Nicht festgezogene Klemmen, einzelne aufgedröselte Adern die bis zu benachbarten Klemme 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 erhalten 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, diese muss in sich sauber (parallel und winklig) ausgerichtet sein. Wenn er windschief zusammengenagelt ist, dann 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 habe meiner der einzige gewesen sein sollte. Mittels digitaler Wasserwage und ein paar Unterlagscheiben bzw. Ausgleichbleche 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 sieht, also kein gutes räumliches Vorstellungsvermögen hat, der wird sich hier sehr schwer tun und eventuell sogar an der Aufgabe verzweifeln. Wer diese Begabung hat und die oben stehenden Tipps zum Ausrichten des Kreuzsupports und der Laserröhre befolgt, der hat seinen Laser in weniger als 5 Minuten perfekt ausgerichtet. Die meisten Anleitungen und Videos im Netz sind Lückenhaft, erklären aber mal grob wo was Eingestellt werden kann und auch den Trick mit dem Malerkreppband um zu sehen wo der unsichtbare Laser denn 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:

Komment von der Röhre, kann der Laserstrahl nur über Ausrichten der Röhre selbst raumparallel verlaufen. Diese also zum Kreuzsupport parallel ausrichten und in der Horizontale und Vertikal so ausrichten, dass der Laser in der Mitte vom 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 der Spiegel 2 in seiner Position geändert werden. Hier kommt der entscheidende Vorteil des Optik-Upgrades zum tragen, denn hier lässt sich der Spiegel seitlich und in der höhe problemlos einstellen. Bei meinem original Spiegelhalter konnte ich die Höhe nicht einstellen und musste mit Unterlagscheiben arbeiten, was geht aber scheiße ist.

Ist Spiegel 1 ausgerichtet geht's mit Spiegel 2 unter Beachtung der Regel 2 und 3 analog weiter. Ist der Laser zwischen Spiegel 2 und 3 parallel, passt aber nicht von der Mitte muss hier 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 Unterlagscheiben 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 mal folgende Skizze verständlich machen:

Sitzt der Spiegel im Laserkopf nicht da wo er eigentlich sitzen müsste (Konstruktionsfehler 3-4), so kann man zwar trotz mittiger Eingangsöffnung den Laser dazu bringen wieder unten auszutreten (3), aber das führt zu Leistungsverluste 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 nach dem wie der Spiegel im Kopf sitzt. Am einfachsten finden man dies heraus, indem man eine Sperrholzplatte schräg in den Raum und eine Linie lasert. Gleich wie beim ermitteln des Fokus, aber nicht von links nach rechts (wie auf dem Bild folgernden 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 platziertem Sperrholz lasert. Der Fokus ist da, 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 Werkstückes 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 Längsschlittenschiene. Das habe ich auch mal mit nem Eddig 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 befragen - 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 Low-Budget Chiller weiter unten. 


Geschlossene Wasserkühlung

Die Kühlung der CO2-Laser-Röhre erfolgt mittels Wasser. Bei meinem Laser war hierzu eine Aquariumpumpe und etwa 3 m  passender Schlauch dabei. Man sieht oft, dass hier die Pumpe einfach in ein Bottich mit Wasser geschmissen wird und gut ist. OK, das funktioniert aber stielvoll 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 betrieben, 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 ein Ausgleichbehälter (3). Pumpen inkl. Ausgleichbehälter bekommt man auch als eine Einheit im PC-Wasserkühlungszubehör. Mein Ausgleichbehälter besteht aus einer simplen 500ml Kunststoffflasche welcher ich mittels Schraubtülle einen Ein- und Auslauf verpasst habe.


Allerdings arbeitet die Kühlung, insbesondere im Hochsommer oder bei längerem Lasereinsatz nicht ausreichend genug um dennoch über die mir gesetzte 25 °C Marke zu gelangen. 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, seinen übertakteten CPU per Peltier-Elemente kühl zu halten, was einem an der Stelle eine Große Auswahl an Komponenten zu günstigen Preisen beschert. Als Herzstück kommt bei mir ein Dual-Peltier-Kühler mit  2x 60W zum Einsatz. Dieser besitzt auf der Kaltseite ebenfalls einen Kühler als Wärme bzw. Kältetauscher welche gegen ein Aluminium-Wasserwärmetauscherblock ausgetauscht wurde. Ein XH-W3001 Temperaturschalter schaltet die Peltier-Element bei Bedarf ein und aus und sorgt so für eine einigermaßen konstante Kühlwassertemperatur.


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

Die original verbauten Peltier-Elemente (TEC1-12706) hatten keine 10A, welche die angegebenen 120W bestätigen würden. Direkt nach dem Einschalten ziehen beiden 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 120W. Mehr Hintergrund hierzu auf der Peltier-Element-Seite. Zieht man dann noch den bescheidenen Wirkungsgrad von den Peltier-Elementen in Betracht, so bleibt wohl nicht viel Kühlleistung übrig. Um so mehr war ich überrascht, als sich beim ersten Probelauf, nach relativ kurzer Zeit eine Absenkung der Kühlwassertemperatur von 6 °C, gegenüber der Raumtemperatur eingestellt hat. Da komme ich später nochmal dazu, jetzt wird erst einmal eingebaut.
Ich hatte mir, mangels genaueren Maßen auf Verdacht einen 120 mm Wasserwärmetauscher bestellt, dieser erwies sich jedoch als 20 mm zu kurz, zumindest für einen reibungslosen Umbau. Der Plan war: Kühlseitige Luftwärmetauscher + Lüfter runter und Wasserwärmetauscher rauf - 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 20x4 mm Aluprofilen zusammengeklemmt.
In diesem Zustand erfolgte der erst Test bezüglich der Leistungsaufnahme. Mit der daraus resultierenden uns weitergreifenden Erkenntnisse 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 die Lüftungsschlitze sich befanden eine Öffnung von 195x95 mm reingeschnitten. Mit einer Stichsäge und Metallsägeblatt geht das erstaunlich einfach. Den Kühler habe ich mit Stehbolzen so am Gehäuse befestigt, dass die Lüfter plan mit dem Gehäuse abschließen. Dann noch alle Spalte mit selbstklebenden Moosgummistreifen abgeklebt und fertig ist der Kühlereinbau.

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Um möglichst wenig Kühlleistung an die Umgebung verschenken zu müssen, habe ich allen Schläuchen eine 8x6 mm EPDM Isolierung verpasst und den Wärmetauscher, Ausgleichbehälter 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 Rauchgasabsaug 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 mal alle Öffnungen vom Arbeitsbereich zum Elektronikfach, so gut es ging geschlossen. So, dass 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 100'er Lüfter (230V) gegen einen 80'er (12V) getauscht und lasse diesen jetzt Luft ins Gehäuse reinschaufeln, 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 hat dann ein häufigeres Ein- und Ausschalten der Peltier-Elemente zur Folge, was sich leider negative 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, Wärmetauscher, Pumpe und Ausgleichsbehälter 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 12V, 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-/Stromreglung) und voila, 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 auch sicherlich noch 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, denn kehrt man die Polarität am Element um, so 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 der Stelle sei erwähnt, dass es neben weiteren Händler-Derivaten zwei Haupt-Versionen 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 die Digitalanzeige, wie auch der Potentiometer sich nicht linear zur Laserschnittleistung verhält. Also 50% Einstellung sind nicht gleich 50% Laserleistung, meine Maschine erreiche 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 der Amperemeter fehlt wird man um eine Nachrüstung nicht umher kommen, 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 damit die Laserleistung beim Schneiden eher höher einzustellen als man sie tatsächlich benötigt und 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 Nennwiderstand 1 kOhm.

Die weiter unten aufgeführten Einstellwerte beziehen sich alle auf einen 1 kOhm-10-Gang Potentiometer. Für Geräte mit digitaler Einstellung ist dieses Upgrade natürlich nicht möglich und somit auch die Einstellwerte 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 und zum anderen werden Schmauchspuren am Werkstück deutlich reduziert. Aber das Wegblasen des Verbrennungsqualms verbessert auch 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 bestens und die Luft wird direkt senkrecht in den Schnittstelle geleitet. Entscheidet man sich für ein Upgrade des Laserkopfes, so ist in aller Regel ein Druckluftanschluss (3) mit an Board. Hier kann man mittels Druckminderer seinen Werkstattkompressor anschließen, oder um mit der Kiste autark zu bleiben auch einen kleinen Kompressor bzw. Luftpumpe einzubauen. Als Schlauch nutze ich aktuell einen angeführten 4 mm Polyurethan Druckluftschlauch (2). 
Am Anfang hatte die DAYPOWER LP15-24 (1), zum Spülen benutzt. Beim Einbau des Low-Budget-Chillers habe ich, danke ausreichend großem Zusatznetzteil auf die DAYPOWER LP36-12 aufgerüstet.  Diese liefert mit 15L/min das 10-fache an Luftvolumen als die alte Pumpe, und somit auch als Air-Assist eingesetzt werden kann. Die Pumpe wird mittels PWM 1803BK geregelt, um den Luftstrom regulieren zu können. Denn viel Luft ist zwar bei Holz dienlich aber bei Plexiglas ruft es beispielsweise raue Schnittkanten hervor. 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, dann 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 Aluwinkelprofiel, mit 1,2 mm Streckmetall als Auflage. Beides gibt es recht günstig in fast jedem Baumarkt. Der Rahmen sitzt bei mir auf 4 Aluminiumröhrchen. Auf der einen Seite habe ich ein Neodym-Magnet 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 brauch ihn nicht, als man brauch 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 Euros bekommt man aber ein komplettes Optik-Set (z.B. Cloudray), welches 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 dem 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 den Einsatz einer Drehmaschine. Denn der Kopf muss deutlich verkürzt werden, damit er ohne größere Umbauten am Gerät selbst passt. Dazu habe ich das Zwischenstück soweit gekürzt, bis nur noch das untere Gewinde stehen blieb. Mit dessen Hilfe habe ich dann den Kopf und das Unterteil zusammengeschraubt. Damit der Air-Assistschaluch nicht vorne am Kreuzsupport anschlägt habe ich die Schraubtülle weiter nach oben gesetzt und das alte Loch mit Kleber verschlossen (Abb. links orig., 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 eine Anschluss für eine Luftspülung/Airassist besitzen.


Positionierhilfe und Fokusfinder

Für einen weiteren Umbau habe ich mir eine neue Laserkopfaufnahme konstruiert, welche zusätzlich noch zwei Laser-Module 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 nun erkennen, ob der Fokusbereich zur aktuellen Werkstoffdicke/Tischposition passt. Hierzu muss man einmal den Fokus einmessen und einstellen. Dann bringt man beide Laser übereinander, so dass sie sich genau im Fokusbereich überschneiden, also dass der Punkt genau auf der Linie liegt. So eingestellt erkennt man nun schnell ob der Tisch, zum aktuell aufgelegtem 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 nieder) der Punkt recht 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: 5x Gewindeeinsatz M3x5, 4x Schraube M3x12, 4x U-Scheibe M3, 2x Schraube 2,5x10 und natürlich noch zwei Lasermodule (Punkt u. Linie) Durchmesser 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, welchen ich zunächst auf eine verschlissene CO2-Röhre schieben wollte. Jedoch war die Leistung nicht konstant schlecht, sondern mal halbwegs OK und dann im selben Schnitt an unterschiedlichsten Stellen komplett unterirdisch schlecht, dass selbst 0,5 mm dünnes Dichtungspapier nicht mehr nahtlos durchtrennt wurde. Des Rätsels Lösung waren lose Spiegel an beiden Spiegelhalter. Durch die Erschütterungen, welche durch die 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, welche ich zwischen Haltering und Spiegel gepackt habe. Seitdem sitzen die Spiegel fest und nichts löst sich mehr. OK, ein Tropfen Schraubensicherung hätte es auch getan, aber wenn man doch schon mal einen Lasercutter besitzt... :-)


Software

Bei meinem Laser lag CorelDRAW inkl. dem benötigten Dongle dabei. Bei dem Gesamtpreis vermutlich keine original Version? Wie auch immer, überzeugt hat mich die Software ohnehin nicht und die CD samt Dongle sind in den Müll gewandert. 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. Unterstütze Boards, Download und Infos zu Installation gibt es auf der Seite des Autors Scortchwork. Inkscape ist hier erhältlich. Vor dem Download sollte man auf der Scortchwork Seite nachsehen, welche Inkscape-Version mit K40-Whisperer zusammen arbeitet. Ich arbeite mit K40-Whisperer V0.30 und Inkscape v0.92.0.
Generell lässt sich sagen, dass alle K40-Laser, welche mit CorelDRAW ausgeliefert wurden mit K40Whisperer kompatibel sind (Lihuiyu-Board).

Was mich an K40-Whisperer überzeugt: Einfach, schlicht mit Fokus auf dem wesentlichen, daher intuitive und kommt ohne nerviges Setup und keinerlei Abhängigkeiten wie .Net, Java oder sonst ein Schiss. 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 sehr geil!
K40-Whisperer unterstützt DXF-Dateien (2D), welche von beinahe jedem CAD-System ausgegeben werden können und in Kombination im Inkscape auch SVG-Dateien.

Das Arbeits-Prinzip 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... dass es mit K40-Whisperer zusammen arbeitet und eine Alternative zum CAD darstellt bzw. sich damit DXF-Zeichnungen einfärben lassen wenn es vom CAD selbst als Ausgabe 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 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 sollte anderen eher als grobe Richtung dienen. Zudem gibt es starke Schwankungen beim Werkstoff, insbesondere bei Holz. Bei Pappelsperrholz kommt es beispielsweise nicht nur auf die individuelle Holzstruktur an, auch der Verwendete Kleber und die Pressung spielen hier eine wesentliche Rolle, weshalb von Baumarkt zu Baumarkt zum Teil recht unterschiedliche Werte eingestellt werden müssen.
Der Poti.-Wert bezieht sich auf den Potentiometer der Laserleistung unter Verwendung eines 10-Gang Präzisionspotentiometers. Die mA-Werte sind auf Grund der schlechten Ablesbarkeit auf ganze Zahlen gerundet, darum steht bei Poti 1,5 und 2,0 jeweils 5 mA, macht an meiner Maschine jedoch den Unterschied zwischen "geht gerade so" oder "passt".

Hinweis: Ich habe meine original CO2-Röhre gegen eine TEN-High (700 mm - 40W) getauscht. Der Leistungszugewinn ist derart signifikant dass meine alten Werte nicht mehr passen. Die Liste hier wird sich also erst wieder langsam füllen müssen 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   noch nicht ermittelt   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   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   noch nicht ermittelt   x L/min
Elring Abil N   0,75 mm   noch nicht ermittelt   noch nicht ermittelt   x 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   noch nicht ermittelt   noch nicht ermittelt   x L/min
technischer Wollfilz6   4,0 mm   Poti. 3,5 - 6,5 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 Fa. 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, der Scheiß ist nicht gesund!




Grenzwerte

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

Laserleistung:

Je höher die eingestellte Leistung, desto schneller schreitet die Alterung der CO2-Laser-Röhre voran. Allgemein wird die Lebenserwartung von C02-Röhren mit 1500 - 2000h angegeben. Diese Zeiten werden jedoch unter Laborbedingungen ermittelt. Das bedeutet z.B. 80% Leistung, im kontinuierlichem Betrieb, bei konstanter Temperatur im Idealbereich. Tatsachlich wird die Lebensdauer der K40 Röhre im Alltagsbetrieb dann vermutlich geringer ausfallen. Zum einen wird die Laserröhre nicht unter Laborbedingungen betrieben und zum anderen handelt es sich hier um ein Low-Budget-China-Produkt. Beim Schneiden sollte man also nur soviel Leistung abrufen wie tatsächlich benötigt wird, um durch das Material zu kommen. Mein Laser hat seine max. Schneidleistung bei etwas unter 12 mA, alles darüber scheint ohnehin für den Fuß zu sein und belastet nur unnötig die CO2-Röhre. Aber ich habe auch den Verdacht das meine Röhre Mist 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 die 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. In Notfällen ist aber auch allerspätestens bei 30 °C ist Schluss, obwohl das eigentlich schon zu hoch 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. Was ich so im Netz finden konnte, sollten hier allerdings mehr möglich sein, 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]