切断・彫刻用CNCレーザー
(jacquesmattheij.com)- 低価格帯のCNCレーザーカッター・彫刻機は今では1,000ドル未満でも購入できるが、実用的な出力のレーザーは眼の損傷・火災・有毒ガスの危険があるため、完成品というよりも安全対策の強化が必要な機材に近い
- 安全な運用はオープンフレームをそのまま使わないことから始まり、密閉エンクロージャー、外部排気、インターロック、非常停止、防火構造、消火器と火災検知が基本条件となる
- 購入判断では電気入力電力ではなく、実際の光学出力(W)、波長、ヘッド構造、作業領域、air assist、精度、切断速度、エンクロージャー品質を基準にすべきである
- ダイオードレーザーは木材・紙・一部の表面彫刻に適しているが金属切断には向かず、fiberレーザーは金属に強く、CO2レーザーはより汎用的だが高価で管理も難しい
- 仕上がり品質は設計ファイル、G-Code変換、焦点・スポットサイズ、レンズ清掃、空気の流れ、材料固定、材料ごとの出力・速度テストに左右されるため、機械ごとの反復実験が必要になる
安全が出発点となる機材
- CNCレーザーカッターは集中した光と切断中に発生する煙・ガスによって、永久的な負傷や失明を引き起こす可能性がある
- 実用的に切断・彫刻できる出力のレーザーに「安全なレーザー」はなく、メーカーの販促物にあるオープンフレームや室内設置のイメージをそのまま信じてはいけない
- 火災リスクが高いため、無人運転禁止が基本であり、使用の負担が大きいなら安全要件を備えた地域のメイカースペースの方が良い選択肢になり得る
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エンクロージャーと緊急対応
- オープンフレームのレーザーはそのまま使用してはならず、必ずエンクロージャー内で運用しなければならない
- メーカーが居住空間で使用している写真や動画を見せていても例外ではない
- 生活空間では使わない方がよく、子どもやペットは動作中のレーザーから離しておく必要がある
- エンクロージャーは換気されていなければならず、排気システムは毎分エンクロージャー容積の数倍に加え、air assistが送り込む空気量まで処理できる必要がある
- 排気は漏れなくろ過したうえで、人がいる構造物から離れた屋外へ排出しなければならない
- 窓があるなら使用するレーザー波長を遮断する必要があり、観察はカメラで行う方が安全である
- メーカーが換気不要と述べていても、エンクロージャーの換気は必要である
- エンクロージャーにはインターロックが必要で、扉が開いたら非常停止のように機械が完全に無効化されなければならない
- 外部にはシステム全体の電源を遮断する非常停止スイッチが必要である
- 可能であれば、動作中に近づけない境界を作る光学フェンスも利用できる
- エンクロージャーは防火構造であるべきで、床面はレーザーヘッドが最下位置で最大出力のまま停止して照射する継続的な直撃に耐えなければならない
- エンクロージャーの近くには十分な容量の消火器と火災検知システムが必要である
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避けるべき材料と目の保護
- 一部の材料は切断や彫刻をしてはならない
- PVCはいかなる状況でも切断・彫刻してはならず、塩化水素を発生させる可能性がある
- ポリカーボネートは窒素のような不活性雰囲気で作業できる場合でない限り、切断・彫刻してはならない
- 革は臭いが強く危険な場合があるため推奨されず、作業する場合でもクロムなめしの材料は避けるべきである
- 安全出力の限界は波長によって異なり、レーザー損傷は脳が補正するため最初は気づきにくいことがある
- レーザー波長に合った高品質な保護メガネを信頼できるところから入手しなければならない
- 保護メガネはエンクロージャーの代わりにはならず、レーザーが点灯している近くでは常に着用しなければならない
- 直接ビームだけでなく反射光も深刻な損傷を与え得る
- 380〜750nmの可視光レーザー、特に低価格のダイオードレーザーは、ビームが見えるという理由で安全だと誤解させることがある
- 1mWを超える光は危険になり得る
- 可視光ビームは遮断がより難しい場合があり、別の周波数に漏れることもある
- 1064nm IRを使うfiberレーザーは、眼が光を集光する一方で瞬き・回避反射がないため非常に危険な場合がある
- CO2のような遠赤外線機器はビームが見えず、損傷を認識する前に眼を傷める可能性がある
- 十分な出力で切断・彫刻するすべてのレーザーはエンクロージャー内で運用され、エンクロージャーが開いたら自動的に停止しなければならない
低価格帯CNCレーザーの位置づけ
- CNC機器は1980年代以降、継続的に低価格化してきたが、レーザーカッターは長いあいだ高価で、非力で、大きく重く、消費電力も大きかった
- 今では機能的なCNCレーザーカッター・彫刻機を1,000ドル未満で購入できる
- 低価格機は産業用機器のように厚い鋼板を貫通することはできないが、木材やさまざまな材料の切断、適切な表面へのテキスト・画像彫刻では十分に機能する
- レーザーカッターは材料から不要部分を除去する減算加工ツールである
- 回転式ナイフカッターより深く切れる
- 型抜きカッターと違ってセットアップコストがかからない
- ウォータージェットより相対的に安価だが、可燃性材料の切断面がやや焦げることがある
- プラズマカッターと違って非導電性材料も切断できる
- 3Dプリンターのように入力材料の大半が製品になる方式ではなく、20〜30%のスクラップが出ることも珍しくない
レーザーカッターの歴史と種類
- レーザーカッターは1965年から存在していたが、1980年代半ばでも現場で見かけることが稀なほど高価だった
- 初期のレーザーは非常に高いエネルギー密度で材料を切りながらも、精密な光学系を必要としていた
- 水冷式ガラスジャケット石英管から出たビームが自由空間を通り、X軸ミラー、Y軸ミラー、集光レンズを経て材料に到達する構造だった
- その後、solid-stateレーザーとfiber増幅段を使うfiberレーザーが登場し、小さなスポットサイズでより効率的な切断が可能になった
- コスト低下の大きな原動力となったのは、半導体産業がもたらしたダイオードレーザーである
- 趣味ユーザーや小規模ビジネスが接する可能性が高い機材は、ダイオードレーザーと、より小型軽量な産業系機材である
購入前に確認すべき仕様
- レーザーカッターを選ぶ際は、光学出力、ヘッド構造、波長、作業領域、air assist、精度、切断速度、エンクロージャー、レーザーの種類をあわせて見る必要がある
- 市販機器は概ねアジアで製造されており、エンクロージャーの有無や品質・出力はさまざまである
- 低価格ダイオードレーザーは実用ツールとして使えるが、安全面ではそのまま使用できないため、キットや出発点として捉える方が現実的である
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光学出力とヘッド構造
- レーザーカッターの出力は光学出力Wで判断すべきである
- 一部メーカーは電気入力電力で宣伝し、実際より強力な機材に見せている
- 低価格ダイオードレーザーメーカーは、光学出力を表示していても誇張している場合がある
- 数千W級の産業用tubeまたはfiberレーザーは約10mmの軟鋼を切断できるが、40W級の入門用ダイオードレーザーは金属切断に適していない
- 5Wレーザーでは多くを切るのは難しく、切れたとしても遅い
- ダイオードレーザーヘッドは、1つ以上のレーザーダイオード、ビーム結合用ミラー・レンズ、集光レンズで構成される
- 同じ出力ならダイオード数が少ないほどスポットは小さくなって出力が集中するが、ダイオードはより高温になり寿命が短くなる可能性がある
- 強力なカッターヘッドには通常冷却ファンがあり、ファンが詰まったり故障したりするとヘッドがすぐに壊れることがある
- 出力が高いほど、より深く、またはより速く切断でき、以前は切れなかった材料も切断可能になる
- 6ダイオード配列ヘッドは5W単一ダイオードの6倍ではなく、約3〜4倍程度優れた性能を示し、切断エッジ周辺のspilloverも多かった
- スポットサイズは切断幅とoverspillに直接影響する
- ダイオードレーザーの表面kerfは約0.4mmになることがある
- 圧入結合では約0.1mmの補正で接着剤なしでも摩擦を得られる
- 名目30Wヘッドは18mmの軟木材と軟木材ベースの合板を切断でき、良好な条件では約250mm/minの速度で切断した
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中古産業用機器という選択肢
- 事業目的で始めるなら、中古の産業用fiberまたはCO2機器も代替案になり得る
- 産業用機器は趣味向けではなく、重く大きく電力も多く使うが、処理量は趣味用機器を圧倒する
- 中古機器の評価には専門性が必要で、部品やサービスの費用が高い場合がある
- まず低価格ダイオードレーザーで設計と経験を積み、その後、長期的には産業用機器の方をより良い投資と見なせる可能性がある
波長、作業領域、空気、精度
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波長ごとの特性
- レーザーの波長は色を定義する特性であり、ダイオードレーザーは通常 400～470nm の紫～青の可視光領域にある
- この波長をよく吸収する材料もある一方で、反射して出力の大半が加工物に吸収されない材料もある
- 長い波長は金属のような難しい材料により適する傾向があるが、金属を安定して、あるいは実用的な厚みで切断できるダイオードレーザーは存在しない
- fiber レーザーは通常 780～2200nm の赤外～中赤外領域で、金属切断に適している
- CO2 レーザーは 9.3～10.6µm で、fiber やダイオードよりはるかに長い波長を使う
- ダイオードベースの可視光レーザーは、産業用 IR レーザーより危険な面がある
- 通常はエンクロージャなしで出荷される
- ユーザーが内部にアクセスしてもレーザーを止めるインターロックがない
- 可視光ビームは遮断しにくく、別のスペクトルに漏れる可能性がある
- 赤外線ヘッドを使うなら、ビーム位置を把握できる 可視光 pilot laser を備えた機器が必要
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作業領域
- 大きい作業領域は、より大きな部品や長い加工を可能にし、ネスティングによって廃材を減らせる
- 例の機器は 61×61cm の作業領域、70×80cm の機械サイズ、1m×84cm で高さ 1m 超のエンクロージャを使用している
- 作業領域全体を 100% 使うのは難しい
- 固定具、エンドストップ、フレーミング、端付近での空中切断防止のために一部の領域が失われる
- 片方の軸はほぼ全域を使えることもあるが、もう片方の軸は側面の一部が使えない場合が多い
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Air assist
- 切断機であれば air assist は必須に近い
- 20～40W の機器では通常 10～15L/min 程度が使われる
- air assist は、レーザーがすでに当てた材料片を除去し、より深く切れるようにする
- 空気が多すぎると、加工物がレーザーで温まる速さより早く冷えて逆効果になることがある
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精度と速度
- 一般的なレーザーカッターは約 0.1mm の精度を持ち得て、この価格帯では非常に高水準である
- 繰り返し精度は、モーターが gantry とヘッドをどう駆動するかに左右される
- 通常はベアリング上を滑り、ベルトとモーターギアで動く
- モーターはたいていサーボではなくステッパーなので、ステップ落ちが起きると加工物はすぐ失敗する可能性がある
- 工具反力がないため、フライス盤よりはステップ落ちの問題が少ないことがある
- 切断深さと貫通を作業面全体で一定にするには、機械を直角に組み立て、水平に設置しなければならない
- 切断速度は主にレーザーヘッドの出力に制限され、移動速度は Y 方向の gantry の重さと X 方向のヘッドの重さ、ステッパーモーターのサイズ、電源の安定性、摩擦の影響を受ける
設置と駆動ソフトウェア
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設置要件
- レーザーカッターは必ず エンクロージャ 内に設置しなければならない
- 切断工程はきれいではなく、時に大量の煙を出し、この煙は呼吸に非常に有害になり得る
- air assist 付きの機器は、光学系の汚染を減らすために清浄な空気の取り入れが必要である
- エンクロージャの窓は内部を見られるようにしつつ、レーザー光の大部分を遮断しなければならない
- 作業面の下は防火構造であるべきで、実際の火災を消せる手段が必要である
- 緊急時には加工物を失ってでも素早く電源を切れる必要があり、大きな赤い mushroom switch やスイッチ付き電源タップを使える
- PVC の切断は、有毒ガス、腐食、負傷・死亡の危険のため絶対に禁止である
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G-Code と制御ソフトウェア
- ほとんどのレーザーはホストコンピューターと serial-over-USB で通信し、制御言語は G-Code である
- G-Code は、旋盤、フライス盤、レーザーカッター、座標ボール盤などの製造装置の制御に広く使われる
- G-Code を直接書くのは煩雑なので、通常は設計ソフトウェアと G-Code 変換ソフトウェアを組み合わせて使う
- コンシューマー向けソフトウェアの例は次のとおり
- LightBurn: Linux 対応とベッド上カメラ対応がある
- LaserGRBL
- OpenBuilds
- LaserWeb
- 無料製品と商用製品が混在しており、ワークフロー、ファイル形式の対応、インポート時の不具合の有無、材料・厚さごとのテストを見て選ぶ必要がある
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ソフトウェアが見落とす切断補正
- 確認したレーザードライバーソフトウェアには、一部の 現場ノウハウ が欠けており、微妙なバグもあった
- 半径補正は、ビーム幅の半分だけ経路をずらして精度を高める機能である
- 外側の曲線は外向きに、内側の曲線は内向きに補正しなければならない
- しかし、ソフトウェアが内側と外側を取り違えることがある
- 正しい方法は scrap 側へオフセットすることだが、入力ファイルに scrap 情報が必ずあるとは限らない
- 厚い材料を貫通するときは、scrap 領域から開始して spiral で加工物の端へ入り、レーザーが常に動いている状態で加工物に当たるようにする方式が使われる
- スポットが非対称なら、一定の結果を得るために方向ごとにより遅く切る必要がある
- ほとんどのソフトウェアは方向別の速度調整ができないため、全方向で貫通可能な最低速度まで下げることになる
- この場合、切断速度が遅くなり、片軸の精度が失われる可能性がある
設計ツールとファイル形式
- 材料を切るにはまず設計が必要で、自作することも、購入することも、既存のデザインやアートワークを修正することもできる
- 自動でカスタムパターンを作ってくれる無料のレーザーカッター設計ジェネレーターもある
- 設計ツールはユーザーの志向によって異なる
- アーティスト志向なら drawing プログラム
- エンジニアなら CAD
- プログラマーなら parametric design ツールが合うかもしれない
- 例示ツール
- Interactive CAD: Tinkercad, Rhino, Blender, AutoCad, Sketchup
- Drawing: Gimp, Inkscape, PhotoShop, Illustrator
- Parametric CAD: SOLVESPACE, OpenSCAD
- 切断用の中間ファイル形式としては SVG, DXF, JPG がよく使われる
- 設計ソフトウェアが書き出した形式を、レーザードライバーソフトウェアが変換なしで正確に取り込めるかが重要である
- デザインリソース
- boxes.py: 箱だけでなくさまざまな物のための parametric generator を提供
- Etsy: 有料デザインが多いが、原作または無料デザインの転売には注意が必要
- MakerCase: シンプルな箱生成器
- Gear designer
- Reddit デザイン保管庫一覧
材料別の適性とテスト
- 切断・彫刻の結果は、機械の出力、移動速度、光学系の状態、材料の状態によって、非常に良好から使用不可まで大きく変わる
- 新しい材料は、安全だと100%確信できない限り切断すべきではなく、まずSDSや検索によって試す価値と危険性を確認する必要がある
- LightBurnのようなソフトウェアには材料テストクーポン機能があり、多くのレーザードライバーも同様の機能をサポートしている
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木材
- 木材はレーザー切断に適した材料である
- 中出力レーザーなら数mmの木材を比較的容易に切ることができ、出力が低いほど速度は遅くなり、焦げの可能性が高くなる
- ダイオードレーザーは軟木を厚めでもよく切れるが、密度の高いhardwoodは難しい
- engineered woodは接着剤も一緒に蒸発するため、煙の処理をより慎重に行う必要がある
- 切断面の暗い縁が嫌なら、加工物を約0.1mm大きめに作ってからサンディングできる
- 切断した木材は焦げたにおいが長く残ることがある
- サンディング、塗装、ラッカー、軽いsandblastingで軽減できる
- においが消えるまでには長いと数か月かかることもある
- 合板は接着剤の種類がさまざまで、plyの間に細い黒い線があればphenolic resinの可能性があり、切断がより難しいことがある
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公称30Wカッター基準の木材テスト
- バーチ合板
- 2.6mm: 60%出力、700mm/min、1 pass
- 4.1mm/5.5mm: 60%出力、450mm/min、1 pass
- 7.8mm: 60%出力、200mm/min、1 pass
- 11.8mm: 60%出力、150mm/min、1 pass
- 18mm: 80%出力、300mm/min、3 pass
- MDF
- 3.2mm coated: 80%出力、500mm/min、1 pass
- 9mm: 80%出力、200mm/min、1 pass
- Hardwood ply
- 3.7mm: 70%出力、200mm/min、1 pass、きれいな切断ではない
- 3.7mm: 50%出力、600mm/min、4 pass、よりきれいだが上面の焦げがやや増える
- より厚いhardwood plyは結果が非常に悪く、実用にならない
- Hardboard
- 3.4mm: 60%出力、450mm/min、1 pass
- バーチ合板
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紙、繊維、革
- 紙や段ボールはよく切れ、高い切断速度を使える
- air assistは材料を飛ばすことがあるため、オフにすべきである
- 遅すぎると縁の焦げがひどくなる
- 複数枚を重ねて一度に切れる可能性もある
- 5.7mmの三層梱包用段ボールは、60%出力、1000mm/min、1 passで切断できた
- 有機繊維は概ねうまくいくが、合成繊維は溶けてきれいに切れず、ベッドから剥がしにくいことがある
- 革の切断・彫刻は推奨されない
- 結果があまり見栄えせず、においも非常に強い
- クロムなめし革は非常に有毒な蒸気を出すことがある
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金属と表面彫刻
- ダイオードレーザーで金属を切るのは、金属が非常に薄くない限りうまくいかない
- 455nmレーザーヘッドでは金属切断の実験はすべて失敗し、ステンレス鋼では最大出力でわずかに変色する程度が精一杯だった
- 金属切断には数kW級のfiberレーザーが適しているが、高価で大型の装置であり、三相電源が必要で、住宅地では金属蒸気のため許可が必要になる場合がある
- アルマイト処理されたアルミニウムはうまく彫刻できることがある
- 表面層を蒸発させ、下の地金を露出させる方式である
- ステンレス鋼の切断はダイオードシステムでは難しいが、彫刻は可能な場合がある
- Dykem Red engineering marking fluidを吹き付けて彫刻し、その後IPAで拭くと赤い永久的な標識が残る
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プラスチック、ポリカーボネート、その他
- アクリルはまだ未テストである
- ポリカーボネートは低価格のダイオードレーザーと空気ベースのシステムでは安全に切断できない
- ほとんどのプラスチックとPVCはレーザーで切ってはいけない
- 非常に有毒な蒸気を出すことがある
- 加工物がベッドに貼り付いたり、発火したりすることがある
- 石材とセラミックは近日中にテスト予定である
- Delrin/Acetalは高価でまだ未テストであり、関連するHackaday記事としてDrawbacks of Lased Delrin and How to Slip Around Themが挙げられている
実践的なヒントとメンテナンス
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厚い材料を切る
- 厚い材料を複数passで切る方法は、2〜3回を超えると効果が小さくなる
- 切り溝の中でビームが広がり、深い部分には出力がほとんど届かない
- 底面よりも側面に当たりやすくなる
- 材料を裏返し、鏡像パターンを反対側から切れば、切断可能な深さを実質的に倍にできる
- 位置合わせはpilot holeとfixtureで補助できる
- 2本以上のピンを差し、裏返したときに位置が入れ替わるようにすれば、位置合わせを維持できる
- 2回目のpassではパターンをmirror処理する必要がある
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ラミネーション
- 薄い木材で同じパターンを複数枚切り、圧力をかけて接着すれば、機械が直接作れるものより厚い加工物を作れる
- 薄い部材を積層してhardwood gearのような部品を作ることができる
- 層を意図的にずらしたり回転させたり、あるいは一方向にslicingしてから貼り合わせると、3D効果を出せる
- registration holeとhardwood dowelを追加すると、層の位置合わせ、強度、精度を高められる
- dowelは全体の厚さより少し短くしないと、接着中に十分な圧力をかけられない
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空気と光学系の管理
- 付属のair pumpは弱いことがあり、入門用のshop compressorのほうがよい場合がある
- 空気は乾燥していてオイルフリーでなければならない
- ホースが外れたり光学系が壊れたりしないよう、過度に上げてはいけない
- 一般的なレーザーヘッドは10~30L/min程度の空気を使用できる
- cutter/material/powerの組み合わせごとに最適な空気量がある
- 多すぎると材料が冷えすぎ、少なすぎると切断くずを十分に除去できない
- レンズの汚れは、数時間の作業だけでも切断出力の低下を招くことがある
- 大きな作業の前には光学系を清掃したほうがよく、通常は5分もかからない
- レンズを定期的に清掃しないと、煙の堆積物がガラスに融着して永久的な損傷を生じることがある
- ひどい場合は堆積物のせいで不均一な加熱・冷却が起こり、レンズが割れることがある
- レンズはレンズクリーニングクロスで拭き、ひどい汚れにはアルコールを、最後の手段としてアセトンを使える
- 再組み立て前に、レンズが完全にきれいで乾いている必要がある
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材料固定と焦げの軽減
- 軽い材料はair assistやエンクロージャーの衝撃で動くことがあり、わずかな移動でも加工物を台無しにしかねない
- 3Dプリントしたtie-down pinのような治具で材料をベッドに固定すれば、焦点も一定に保ちやすい
- air hoseが折れたり、ノズルが炭素堆積物で詰まったり、ポンプの吸入口が塞がったりすると、空気の流れが弱くなったり止まったりすることがある
- ノズルにO-ringがないと、空気が下ではなく上へ漏れることがある
- 表面仕上げが重要なら、painter’s tapeやtransfer tapeを貼って焦げをテープ上に残せる
- 直接彫刻できない材料では、transfer tapeを剥がした部分をステンシルのように使って吹き付けできる
- 反射性の表面は、つや消しcoatingを施すとエネルギー吸収を助け、切断・彫刻に役立つことがある
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ベルトとねじの点検
- ダイオードレーザーカッターのベルトは時間とともに伸びて滑ることがあるため、定期的に張り直す必要がある
- 特にgantryを動かすベルトは重さを絶えず往復させるため、点検する価値が高い
- Y方向移動の開始部分に小さな垂直のsquiggleが見えるなら、overshoot・undershootが起きている可能性がある
- set screwが緩むと軸の摩耗やガタが大きくなることがあるため、数か月ごと、または問題が疑われるときに確認すべきである
オンラインリソース
- r/lasercutting
- Lasersaur
- The Guerilla Guide to CNC
- Makeables resources list
- 3axis.co
- Ameede
- Taylor Alexanderの大型繊維向けレーザーカッターガイドは興味深く低コストな実験だが、安全装置と排煙が不十分でかなり危険だ
1件のコメント
Hacker News の意見
興味のある方のために、縫製用の生地裁断に合わせた 60×78インチの大型レーザーカッターを設計しました。数百ドルで作れる超低コスト設計で、ガントリーは取り外し可能、ベッドは薄い合板なので、使わないときはラグで覆えばアパートでも追加スペースをほとんど取らないようにできます。
コンセプトは動きますが、私の場合はガントリーが少し引っかかってステップを失うため、改善が必要です。今は事実上プロジェクトを畳んでいますが、今後のバージョンの着想になればうれしいです: https://github.com/tlalexander/large_format_laser_cutter
YouTube動画は結局完成させられませんでしたが、ボイスオーバーと後半の編集がない未完成動画があり、システムの動作と追加の詳細を示しています: https://github.com/tlalexander/large_format_laser_cutter/iss...
特に設計の中に Raspberry Piベースのパターンスキャナーが入っていて、服をスキャンして複製したり、Inkscapeで手作業を加えて紙の縫製パターンをスキャンしたりするのに使えます。
「ダイオードレーザーはビームが見えるので、特別な訓練を受けていない人にとってある程度より安全だ」という主張には同意しません。ダイオードもチューブレーザーも、どちらも即座に失明させる可能性があります。
ダイオードレーザーは可視光領域なので、その特定の可視光帯域を遮る専用の遮蔽材が必要になり、むしろ遮るのが難しくなります。しかも別の周波数で漏れる製品も多く、さらに厄介です。
逆にCO2チューブはより単純です。可視光は通すが、CO2チューブが出す赤外線波長は遮る一般的なプラスチックがあり、遮蔽材の選択がずっと容易です。
どんな切断レーザーでもエンクロージャーと保護メガネなしで動かしてはいけませんし、これはCO2レーザーのほうがはるかに実装しやすいです。
ポリカーボネート製の保護メガネは10.6μmで光学濃度が非常に高く、適切な保護具になります。
可視光ダイオードレーザーは状況がはるかに悪いです。出力は通常低いものの、乱反射を見るだけでも網膜に危険な出力密度が生じるほど強力です。脳はこうした損傷をうまく隠すため、手遅れになるまで気づかないこともあります。
1.064μmファイバーレーザーは両方の最悪を合わせたものです。出力が非常に高く、見えないため漏れ光がどれだけ出ているのか、反射を見ているのかが分からず、保護メガネは高価で検証も困難です。
高出力レーザーで何かするのは好きですが、最初の大型レーザー光源を買う前にレーザー安全教育をたくさん受けておいてよかったと思っています。
記事をより良い文言に更新し、このコメントも参照として入れました。さらに修正すべき点があるか見てもらえると本当にありがたいです。
ただしビーム位置を見られることも有用なので、1つの方法は切断ビームに低出力の赤/緑レーザーを混ぜることです。光ファイバーケーブル1本を主切断ヘッドの横に取り付ける程度でも簡単にできます。
その出力のレーザー切断には当てはまらない話です。
記事では精度について述べているが、これは位置精度に関するもので、繰り返し精度は扱っていない。繰り返し精度がなければ、精度はたいていほとんど役に立たない
また、一方向の精度値が示されることも多いが、これは位置決めのバックラッシュを反映しておらず、繰り返し精度はなおさら反映していない
おおよそ次のように考えればよい。一方向精度は、0からある位置へ指令したときにどこへ到達するか、双方向精度は0からある位置へ行ったあと反対方向の位置を指令したときにどこへ到達するか、繰り返し精度は0から移動してまた0へ戻ることを繰り返し、その結果を比較するもの
0から一方向に指令した位置だけを見れば、精度が0.1mm以下である可能性は高い
しかしそれが繰り返し成り立つかどうかについては、駆動方式だけでなく何を駆動しているのかが抜けている。リードスクリューなのか、ボールねじなのか、ラック＆ピニオンギアなのか、あるいは何もないのかを見る必要がある
何もないなら、ステッピングモーター単体でもステッピングモーターとベルトの組み合わせでも、バックラッシュによって誤差が蓄積するため、繰り返し精度の問題が生じる
適切なベルトやギアボックスなどを使えば、バックラッシュはかなり減らせる。しかしこの価格帯でも精度を役に立たなくしないためには、ヘリカルラック＆ピニオン、ボールねじのような繰り返し精度を保証するメカニズムが必要に見える
ついでに言うと、精度は固定基準点から提示されるので、説明した繰り返し精度のシナリオをすべて1つの最悪値、つまり誤差が超えない値にまとめるのだろうと予想していた
低い精度だが高い繰り返し精度なら、結果は概念的には一定のオフセットだけを持つ良好な結果になり得るという意味なのか、それとも異なる端から近づいた切断線が合う角のように、公称精度より小さいスケールでギザギザした角、アーティファクト、切り残しや切り過ぎが生じるという意味なのか気になる
ただし、こうした問題は一段階上がったあとの問題に近い。レーザーと3Dプリンターはツールヘッドが軽く抵抗もほとんどないので、ステッパー制御がかなり雑でも成果物を得られる
間違った話ではない。だがCNCを始めたばかりのときに学ぶべきことは山ほどある。安い機械を買って把握し、触り、繰り返し精度を改善する過程そのものが腕を上げる方法だ。趣味のDIYという観点では、こういうのは自然なこと
良い機械でなくても、Fusion 360やOpenSCADのようなツールチェーンで成果物は作れる
お金が十分にあれば、こうした機械調整の苦労をかなり飛ばせるし、プロ向けの機材は本当に魔法のようだ。自分はまず触って学び、面白そうなら趣味への投資を10倍に増やす、というやり方に近い
レーザーカッターで事業をしようとする人は、ここで扱った内容を知っておく必要がある。趣味ユーザーはまずなめし革から出る有毒ガスで死なないようにし、物を作りたいのか機械をいじりたいのかを決めるべきだ。どちらも完全に妥当だ
要点は、すべての指摘に同意するということ。低価格機で経験する苦労を知らせるのも良い。ただ、安い機械でも十分に楽しめるし、結局は何を望むかにかかっている
既存の機械に改造して取り付けることはできるかもしれないが、終わってみれば元の機械より費用がかかり、改善は目立たない程度である可能性が高い。ここにサーボ、焦点補正、可動Z軸まで入れることもできるが、そうすると趣味用の価格帯から外れる
こうしたアルミのオープンフレーム機は産業用途を目指していないので、期待値も低くあるべきだ。フレームの熱膨張補正すらしていない
ベルトの品質はたいていかなり良い。主張とは違い、ベルト駆動はバックラッシュを蓄積しない。バックラッシュはあるにはあるが、ステップを失わない限りおおむね一定で、正常ならステップを失うべきではない。ケブラー成分が入っているため、より安いベルトで起こり得る伸びの問題もかなり減る
ガントリーは2つのステッピングモーターで動くか、反対側の受動ギアを駆動する横軸がある。完璧ではないので軸が長いとねじれが生じ、高速で動かすと片側が少し遅れたり、急停止時にオーバーシュートが見えたりすることがある
それでも非常に高い速度と数百回の繰り返しでも、今持っている道具で見たり測ったりできるバックラッシュやガタはまだ見ていない。良いマイクロメーターで見ると、数百メートル移動後に停止したときの位置誤差は0.1mm未満で、原点から機械上の任意の点までの位置誤差も許容範囲内だった
実際に目立つのは、オープンフレーム構造のせいで出荷直後の機械が直角ではなく、正確に合わせるのにかなり時間を使う必要がある点だ
干渉計は持っていないが、借りられるなら測定してみるつもりだ。今の単純なテストだけでも、機械が十分実用的で、寸法精度が良いため専門のレーザー切断業者に外注する理由がほとんどないことを示している
金属を切るなら話は変わるが、ダイオードレーザーでは当然そうした作業はしない。板材切断でも、大きなワークの公差はフライス盤や旋盤とは違う。こうした機械で圧入軸を作ったり、1mm歯の歯車を切ったりはできない
その精度が必要なら、この工具は合っておらず、レーザー切断自体も適した工程ではない。板金でその精度を望むなら、フライス加工を使うか、写真工程でマスクを作ってからエッチングするほうが適切だろう
木材、段ボール、布地の作業では、こうした低価格機が提供する精度で十分だ
記事には抜けている安全関連の点がいくつかある
レーザー波長に合ったレーザー保護メガネを信頼できるところから購入し、機械に電源が入っている間は常に着用するべきだ
火災が起きたときにレーザーの電源を簡単かつ素早く切る手段も必要だ。非常停止ボタンでも、スイッチ付きコンセントでもよいので必要だ
そしてPVCは絶対に切ってはいけない。塩素ガスが発生してけがをしたり死んだりする可能性があり、そうでなければ機械を腐食させる
さらに、フェノール樹脂合板は切ろうとしないほうがよい。煙や残留物がどれほど危険かは確かではないが、おそらく主な危険はホルムアルデヒドで、何よりフェノール樹脂はうまく切れない。少なくともCO2レーザーではそうで、ダイオードレーザーのほうがましなのかは分からない
自分にとってうまくいく方法は、合板の端を見ることだ。層の間に細い黒い線が見えればフェノールの可能性が高く、切ると煤だらけになる
レーザー切断に関する優れたまとめの補足資料として、Guerrilla Guide to CNC をおすすめする: https://lcamtuf.coredump.cx/gcnc/
これまで読んだ 少量生産向け CNC/3D プリンター の参考資料の中で最高だった。元の記事がよかったなら、これも楽しめるはず
空間は必ず適切に換気すべき
https://www.theregister.com/2017/01/30/berkeley_maker_couple...
見覚えがあると思ったら: https://news.ycombinator.com/item?id=13507734
最終的に CO2 中毒だと判明した
レーザー切断でどうしても避けにくいのは臭い。たとえばクリスマス飾りを切ると、焦げた木のきつい臭いがほぼ永遠に残る
レーザーで切った木片があると、部屋に入った瞬間にその臭いが真っ先にする。避けるよいコツはあるだろうか？
私は火の臭いに特に敏感なので、最初は本当に問題だった
対策としては、部品を少し大きめに作ってから焦げた縁を紙やすりで落とす、炭化した木材が臭わないようにニスや塗料を塗る、あるいはパーツを軽くサンドブラストする、といった方法がある。ただし焦げた縁にはニスや塗料の密着がよくない
室内に何も入ってこないよう、排気ファンもアップグレードした。可変速 DC ファンを使って、臭いものを切ったあとも低速で回し続け、臭いが抜けるまで外へ排出するようにしている
Home Depot の安い木材を使ったときに臭いの問題がいちばんひどかった。本物のバルトバーチ合板に替えると臭いが弱くなったので、以前の材料には化学物質が含まれていたのだと思う
アクリルも臭うが、すぐに消える
エアアシストも大きな違いを生むし、焦点がよく合いビーム品質の高いレーザー光源を使うことも重要。それでもだめなら、シェラックやポリウレタンでシーラーコートを試せばよい
ここ数年この分野は成長しており、特にフェムト秒レーザーによるレーザーテクスチャリングがそうだ。10年前には実験室用レーザーだったものが、今では標準的な CNC 機械のガントリーに載っている
残念ながら、高級レーザー CNC 機械の市場で不足しているように見えるのはソフトウェアで、フライス盤にあるような CAM プログラミングと実行の分離もない
任意のソフトウェアで生成して複数の機械で実行できる G-code に相当するものがない。処理方式のせいで、そのようにすると大容量 RAM でもすぐに使い切ってしまい、不可能な場合がある
CNC レーザー切断を事業にして大型の CO2 レーザーカッター を使うと、CO2 レーザーチューブを交換し続けるのに多額の費用がかかる。チューブ自体が無事でも、たくさん使うとガスが劣化するためだ
なぜガスだけを再充填できないのかというと、安定して信頼できるレーザーチューブを作る正確なガス配合が、ずっと昔に独占されてしまったからだ
その営業秘密ひとつのせいで大量のチューブがゴミになり、必要以上にはるかに多く製造されている。科学知識の独占が相当な無駄につながる典型例だ
レーザー切断が優れている理由は、図面形式が SVG なので、好きなプログラミング言語でパラメトリックな生成器を書くのがとても簡単だからだ
そのため、物理オブジェクトをより大きなアプリと結びつけるのも簡単。想定出力の 3D 可視化や組み立て説明書のようなものと連携させつつ、全体をパラメトリックな状態に保てる
Observable notebooks でいくつか設計している: https://observablehq.com/d/1117987aeab1be0d