Cięcie i grawerowanie drewna za pomocą laserów CNC

How to Engrave Wood - PLH3D-Series Laser Engraver and Laser Cutter Heads

Zanim zaczniesz laserowe grawerowanie i cięcie drewna

Wybór mocy lasera grawerującego CNC - 2 W, 6 W czy 15 W?

Przy zakupie niebieskiego lasera do cięcia i grawerowania w drewnie często trzeba zdecydować o jego mocy. Laser o mniejszej mocy, 2 W, jest nie tylko tańszy, ale również pozwala na bardziej precyzyjne grawerowanie laserowe na drewnie. Droższy, 6-watowy laser może grawerować obrazy o dużych pikselach i może być używany tam, gdzie wersja 2-watowa nie może, np. do cięcia twardej skóry, znakowania stali nierdzewnej lub tytanu. Laser 2 W może pracować z plamką światła o wielkości zaledwie 0,1 mm, co umożliwia grawerowanie w drewnie bardzo drobnych szczegółów.

Jednak taki poziom precyzji wymaga maszyny, która jest nie tylko bardzo dokładna, ale także ma sztywność odpowiednią do prędkości pracy, która gwarantuje wysoką powtarzalność śladu po zmianie kierunku ruchu głowicy. Ponadto laser CNC o mniejszej mocy potrzebuje więcej czasu na ukończenie grawerowania, ponieważ obrazy o wysokiej rozdzielczości składają się z większej liczby cieńszych linii, a zwiększenie rozmiaru plamki (piksela) oznacza wolniejszy ruch głowicy.

Głowica laserowa 6 W jest mniej precyzyjna, ale w zamian umożliwia szybsze działanie dzięki większemu rozmiarowi piksela. Przykładowo, może ona szybko wytworzyć obraz o wymiarach 30x30 cm zbudowany z półmilimetrowych pikseli. Efektywna rozdzielczość wynosi 600x600 pikseli (łącznie 360 tys. punktów), podczas gdy praca z pikselem 0,1 mm dała by obraz o rozdzielczości 9 tys. pikseli (3000x3000). Jest to ogromna różnica, zwłaszcza jeśli chodzi o czas grawerowania, przy czym większy rozmiar piksela (i niższa rozdzielczość) będzie zauważalny dopiero z odległości bliższej niż 1-2 metry.

Głowica laserowa 15 W to nasz flagowy produkt. Jest to głowica z trzema diodami laserowymi, wykorzystująca precyzyjne soczewki i charakteryzująca się najwyższą gęstością mocy optycznej. PLH3D-15W ma taką samą wielkość plamki wiązki jak PLH3D-6W-XF+ z uaktualnieniem uSpot Lens, ale trzykrotnie większą gęstość mocy.

Do cięcia laserowego drewna i materiałów drewnopochodnych należy wybrać głowicę laserową o największej dostępnej mocy.


  • $749.00 $870.00 -$121.00 W magazynie
    Obniżka!

    Najmłodszy i najbardziej precyzyjny członek naszej rodziny głowic laserowych PLH3D. Wyższa wydajność optyczna i gęstość energii oraz mniejszy rozmiar plamki (w porównaniu z innymi laserami 6 W) zapewniają tej głowicy laserowej większą szybkość grawerowania i umożliwiają ...

    $749.00 $870.00 -$121.00
    SZT Do koszyka
    W magazynie
  • $549.00 W magazynie

    Najlepiej sprzedający się laser 6 W z serii PLH3D. Profesjonalny laser grawerujący przeznaczony do zastosowań przemysłowych. Charakteryzuje się solidną konstrukcją, kompatybilnością z wszystkimi typami sygnałów sterujących używanych na rynku CNC i druku 3D. Może być zasilany ...

    $549.00
    SZT Do koszyka
    W magazynie

Właściwości materiału

Cięcie i grawerowanie drewna za pomocą lasera CNC zależy od rodzaju drewna, jego twardości, a także innych parametrów, takich jak wilgotność czy tekstura. Materiały, które najłatwiej jest ciąć laserem to balsa i sklejka lotnicza. Sklejka składa się z dwóch warstw nieco twardszego drewna oraz wypełniacza - zwykle balsy. Cięcie laserem tych materiałów jest najmniej problematyczne, a proces jest wysoce powtarzalny, ponieważ drewno nie ma sęków i ma piankową, jednorodną strukturę. Wybierając materiał nadający się do cięcia lub grawerowania laserowego, należy sprawdzić jego jednorodność. Niektóre odmiany balsy są tańsze, ale mogą zawierać odpryski twardszego drewna, które trudniej jest ciąć laserem CNC. Podobne wytyczne odnoszą się do sklejki lotniczej.

Inne rodzaje materiału to lite drewno i twarda sklejka, używana na przykład do budowy ram okiennych. Twardość drewna oraz - w przypadku sklejki - klejów sprawia, że materiały te nie są idealnym wyborem do cięcia laserami diodowymi. Podczas obróbki powstaje osad przypominający węgiel, który jest czarny i kruchy. Zbyt wolne cięcie takiego materiału powoduje przesłonięcie drewna przez ten osad, co jeszcze bardziej spowalnia cięcie, a drewno w pobliżu obszaru działania lasera staje się gorące i ciemne. Dlatego twardy materiał należy ciąć z dużą prędkością, usuwając tylko cienkie warstwy. Ułatwia to usuwanie niewielkich ilości ciętego drewna, a także pozwala uniknąć przegrzania, ciemnienia i tworzenia niepożądanych osadów. Można także alternatywnie użyć naszej wysokociśnieniowej dyszy wspomaganej powietrzem, aby zmniejszyć spalanie i przyspieszyć proces cięcia i grawerowania drewna nawet 6,5-krotnie w stosunku do normalnej prędkości.

{Produkt:476}

Wybór materiału i przygotowanie powierzchni

Wyniki grawerowania w dużym stopniu zależą od rodzaju drewna. Należy wziąć pod uwagę kilka parametrów.

Pierścienie przyrostu i jednorodność powierzchni. Zazwyczaj, aby uzyskać najlepsze wyniki grawerowania, potrzebny jest materiał o jednorodnym kolorze. Podczas grawerowania w odcieniach szarości należy pamiętać, że ciemniejsza powierzchnia pochłania więcej energii lasera (jednocześnie obniża kontrast obrazu). Wszystkie pierścienie, będąc ciemniejszymi, pochłaniają więcej światła, dlatego nagrzewają się bardziej, nawet przy zmniejszonej mocy wyjściowej lasera. Wynikowy obraz będzie ciemniejszy w takich miejscach, co oznacza, że wygrawerowany obraz będzie miał niepożądane różnice kolorów. Pierścienie pozostaną widoczne, jak w przypadku starej tapety pokrytej farbą o niskiej twardości.

Materiały drewnopochodne. Płyty MDF mają powierzchnie, które dobrze oddają odcienie szarości. Takie materiały nie mają uroku naturalnego drewna, nie mają słojów, które nadają unikalne cechy grawerowanym obrazom, ale w zamian oferują wiarygodne i bardzo spójne odwzorowanie odcieni. Niestety, typowe płyty MDF są brązowe lub ciemnobrązowe, więc wygrawerowane na nich obrazy nie będą miały dużych kontrastów ani jaskrawych kolorów. Należy również pamiętać, że grawerowanie na płytach pilśniowych i MDF wiąże się z powstawaniem trujących oparów.

Twardość drewna. Zazwyczaj grawerowanie twardego drewna nie wpływa w znaczący sposób na jego powierzchnię. Natomiast drewno miękkie - zwłaszcza w ciemniejszych partiach grawerowanego obrazu, które zostaną poddane działaniu silniejszej wiązki - zostanie wypalone na znaczną głębokość materiału. Efekt wypalenia będzie szczególnie widoczny na sklejce lotniczej i balsie. Dodatkowo ciemne obszary zostaną pokryte kruchym, rozmazującym się osadem, który może bardzo łatwo zabrudzić obrabianą powierzchnię.

Przygotowanie powierzchni. Warto podjąć wysiłek wykończenia powierzchni drewna (np. papierem ściernym), aby była ona płaska i zapewniała stałą odległość między głowicą lasera a obrabianym materiałem. Jest to jeden z podstawowych wymogów decydujących o jakości uzyskiwanych odcieni szarości. Nierówna powierzchnia nie tylko spowoduje lokalne zmiany skupienia wiązki, a co za tym idzie gęstości energii użytej do wypalenia obrazu, ale także wywoła zmiany w wielkości plamki światła, co przekłada się na wynikową wielkość piksela. Oznacza to, że nie można uzyskać jednolitych, powtarzalnych odcieni szarości na nierównym materiale.


Laserowe cięcie drewna - technika obróbki



Podczas laserowego cięcia drewna i materiałów drewnopochodnych należy korzystać z najwyższej dostępnej mocy grawerki laserowej, a zmieniając prędkość ruchu można kontrolować rezultat, na przykład intensywność wypalenia na krawędzi cięcia, a nawet wypalenia przez obrabianą warstwę. Aby uzyskać czystą krawędź cięcia, należy pracować warstwowo, tzn. po pierwszym cyklu cięcia laserowego należy opuścić głowicę (w osi Z) i rozpocząć kolejny cykl. Operacje te należy wykonywać wielokrotnie, w zależności od grubości materiału. W ten sposób możemy mieć pewność, że wiązka lasera jest skupiona na warstwie, która jest cięta, a nie na górnej powierzchni.

Choć może się wydawać, że mniejsza liczba przejść zapewni najkrótszy czas obróbki drewna, zazwyczaj korzystne jest cięcie drewna z większą liczbą przejść przy wyższej prędkości chwilowej. Całkowity czas potrzebny do obróbki danego materiału jest porównywalny, jednak cięcie materiału w większej liczbie przejść powoduje, że krawędzie cięcia są mniej przypalone i bardziej jednolite. Wykorzystanie różnych technik cięcia drewna pozwala na cięcie twardej, wodoodpornej sklejki CDX. Pomimo większej ilości warstw i kleju niż w przypadku typowej sklejki twardej można uzyskać bardzo pożądany efekt końcowy.


Laser Cutting of Wood


Laser Cutting of Wood
Assembled Laser Cut Wooden Bowl

Cięcie drewna i innych materiałów wytwarzających duże ilości oparów wymaga szybkiego usuwania niepożądanych gazów. Dym, który składa się z mikrocząsteczek, optycznie utrudnia wiązkę laserową. Jeżeli maszyna tnąca ma niewystarczający dopływ czystego powietrza do lasera, niektóre części materiału mogą nie zostać wycięte w całości, a w przypadku grawerowania uzyskany obraz może mieć niejednorodne odcienie.


Laser Cutting of Wood With and Without the High Pressure Air-Assist Nozzle

Wystarczający dopływ powietrza można jednak zapewnić za pomocą wysokociśnieniowej dyszy wspomagającej. Na powyższym zdjęciu przedstawiono dwa drewniane kwadraty wycięte laserem. Ten na górze został wycięty przy użyciu dyszy wysokociśnieniowej, natomiast dolny bez niej.


{produkt:476}

Grawerowanie laserowe w drewnie

Prędkość a moc


Laser Engraving on Wood - Speed versus Power

Nawet małe obrazy mogą składać się ze znacznej liczby pikseli, których wygrawerowanie laserem zajmuje dużo czasu. Dlatego użytkownicy starają się jak najbardziej przyspieszyć ten proces. Jak się jednak okazuje, ograniczenie nie wynika z mocy grawerki laserowej CNC, ale z szybkości maszyny lub drukarki 3D. W przypadku wolniejszych modeli dobrym rozwiązaniem jest technika zwana grawerowaniem ukośnym, polegająca na jednoczesnym przesuwaniu głowicy lasera grawerującego po obszarze roboczym w kierunku pionowym i poziomym. Gdy oba silniki maszyny (dla osi X i Y) pracują razem, prędkość netto grawerowania laserowego jest większa niż w przypadku grawerowania tylko w jednej osi. Metodę tę można stosować pod warunkiem, że sterownik maszyny umożliwia jednoczesny ruch w obu osiach.

Warto zwrócić uwagę na stabilność i trwałość maszyny. Pomimo niewielkiej mocy lasera, grawerowanie małych detali lub wycinanie części o średnicy zaledwie kilku milimetrów wymusza szybkie zmiany kierunku głowicy laserowej. Różne typy maszyn CNC mogą osiągać różne poziomy przyspieszenia, jednak żadna z nich nie jest w stanie natychmiast osiągnąć prędkości roboczej. Oznacza to, że użycie mniejszej mocy lasera w połączeniu z mniejszą prędkością zapewnia prawidłowe odwzorowanie odcieni nawet na drobnych detalach, a prędkość głowicy i jej przyspieszenie nie wpływają na wynik.


Laser Engraved Eagle in a Wood

Najlepsze warunki pracy można osiągnąć, gdy przy maksymalnej mocy lasera można przesuwać głowicę z taką prędkością, że wygrawerowana linia odpowiada kolorowi czarnemu. Oznacza to możliwość pracy z dużą prędkością, a jednocześnie uzyskania dowolnego odcienia szarości dzięki modulacji mocy lasera za pomocą odpowiedniego G-kodu. Niektóre materiały wymagają jednak dwóch lub trzech przejść grawerowania tego samego detalu przy obniżonej mocy. Technika ta jest stosowana nie tylko w celu uniknięcia wypalenia warstwy znajdującej się w pobliżu plamki lasera, ale także w celu uzyskania możliwie najciemniejszych odcieni. Jest to szczególnie przydatne podczas obróbki bardziej miękkich materiałów drewnopochodnych, takich jak balsa lub sklejka lotnicza.

Niestety, duża różnorodność materiałów uniemożliwia stworzenie uniwersalnej tabeli parametrów obróbki, takich jak prędkość czy moc lasera, które pasowałyby do danych warunków. Dlatego konieczne jest, aby użytkownik wykonał serię prób na wybranej powierzchni i na podstawie uzyskanych wyników ustawił maszynę. Konieczność ta wynika z faktu, że parametry pracy zależą od takich właściwości jak temperatura drewna, wilgotność, warunki przechowywania, gęstość, kolor, twardość, gęstość słojów przyrostowych czy wykończenie powierzchni.

Bardzo ciekawa technika polega na ogniskowaniu wiązki laserowej z większej niż zwykle odległości głowicy od powierzchni, np. 15 cm. Taka odległość powoduje, że plamka lasera osiągnie wielkość 0,5 mm - 1 mm, a po odpowiednim zogniskowaniu będzie miała kształt kwadratu. W ten sposób uzyskuje się duże piksele, które są bardzo przydatne do szybkiego grawerowania laserowego dużych obrazów.


Precyzyjne dostrajanie plamki lasera do grawerowania laserowego w drewnie


PLH3D-15W


Aby uzyskać wysoką prędkość grawerowania, należy odpowiednio zogniskować wiązkę lasera. W tym celu można zastosować jedną z dwóch podstawowych metod. Pierwsza z nich pozwala na uzyskanie jak najmniejszego rozmiaru plamki, a co za tym idzie - największej gęstości mocy. Bardzo mała powierzchnia plamki sprawia, że gęstość mocy - liczona jako moc podzielona przez powierzchnię - osiąga najwyższy poziom, co pozwala na uzyskanie największej szybkości pracy. Kalibrację należy rozpocząć od wygrawerowania kilku linii w różnych odległościach od głowicy i wzdłuż obu osi ruchu maszyny. Następnie należy wybrać ustawienia, które pozwoliły uzyskać najcieńsze linie siatki. Metoda ta ma pewną wadę - plamka nie będzie kwadratowa, co wynika z właściwości optyki głowicy laserowej, która oddaje światło emitera diody laserowej na powierzchnię drewna. Zaokrąglony kształt plamki nie jest optymalny do grawerowania obrazów opartych na pikselach.

Oprogramowanie dostępne dla maszyn CNC

może być wyposażone w funkcję wyboru rodzaju plamki, a także sposobu grawerowania laserem, np. od lewej do prawej, z góry na dół lub po przekątnej. Z naszego doświadczenia wynika, że najlepsze rezultaty można uzyskać w trybie ukośnym. Zapewnia to najbardziej spójne odcienie. Na krawędziach plamki gęstość mocy jest nieco mniejsza niż w centrum, dlatego w metodzie ukośnej ślady pozostawione przez laser nakładają się nieco na siebie, co zapobiega powstawaniu wyraźnych krawędzi linii obrazu, a także przerw między nimi.

W innej, wspomnianej już metodzie ogniskowania wiązki, staramy się uzyskać kwadratową plamkę lasera, odpowiadającą rozmiarowi piksela. Aby skorzystać z tej techniki, należy najpierw wygrawerować małe kwadraty w różnych odległościach od głowicy lasera i wybrać takie ustawienia, które pozwolą uzyskać kwadraty o bokach równej grubości. W ten sposób laser CNC wygraweruje linie o stałej grubości, niezależnie od kierunku ruchu (poziomego lub pionowego).

Prędkość grawerowania laserowego uzyskana tą ostatnią metodą będzie nieco wolniejsza niż w przypadku techniki ukośnej, jednak daje ona inny efekt wizualny. Chociaż każda z opisanych metod ma swoje wady i zalety, żadna z nich nie może być uznana za lepszą lub gorszą od drugiej. Użytkownik powinien samodzielnie przetestować każdą z technik i zdecydować, która z nich najlepiej odpowiada jego potrzebom.


Grawerowanie w drewnie impregnowanym sodą oczyszczoną

Obróbka kawałka drewna, który ma zostać wygrawerowany laserowo, może pomóc w nadaniu obrazowi większej głębi.


Baking Soda Treated Wood Engraving

Jak przygotować drewno

Na początek należy zdecydować, jaki rodzaj drewna jest odpowiedni do danego celu. Płyty MDF nie są zalecane ze względu na wysoką zawartość kleju. Z kolei drewno wielowarstwowe, na przykład sklejka brzozowa, nadaje się do tego celu znacznie lepiej. Aby uzyskać najlepsze rezultaty, zaleca się przygotowanie kawałka płaskiej, gładkiej i oszlifowanej sklejki. Najlepiej jest przeszlifować kawałek sklejki przed nałożeniem na niego sody oczyszczonej.

Jak przygotować obraz

Upewnij się, że zdjęcie jest ostre i wysokiej jakości.

Można na przykład użyć zdjęcia o rozdzielczości co najmniej 350 DPI i rozmiarze powyżej 3000 na 3000. Należy unikać zdjęć o niskiej jakości, ponieważ w przeciwnym razie wygrawerowany obraz będzie nieostry. Można zastosować technikę skali szarości.

Obróbka sodą oczyszczoną

Aby przygotować mieszankę do leczenia, zmieszaj 4 łyżki sody oczyszczonej z 500 ml wody. Dobrze wymieszaj i przelej do butelki z rozpylaczem. Następnie rozpyl ją równomiernie na drewno i pozostaw do wyschnięcia na 24 godziny. Po odpowiednim wyschnięciu można zauważyć, że drewno zyskało refleksy.

Można ją zeszlifować za pomocą szlifierki oscylacyjnej i papieru ściernego 320, aby uzyskać płaską i gładką powierzchnię. Następnie można użyć odkurzacza ze szczotką, aby odkurzyć przeszlifowaną powierzchnię. Należy upewnić się, że na drewnie nie pozostały żadne białe plamy.

Po przekonwertowaniu wybranego zdjęcia na skalę szarości i skalibrowaniu odległości roboczej, umieść kawałek drewna tak, aby rysunek drewna był prostopadły do kierunku grawerowania laserowego.


Direction of Wood Engraving

Następnie można rozpocząć grawerowanie w drewnie. Warto zauważyć, że ze względu na obróbkę sodą oczyszczoną, moc lasera, do której jesteś przyzwyczajony, będzie grawerować drewno w sposób, w jaki normalnie grawerowałaby niższa moc lasera.

Dobrą praktyką jest przygotowanie materiału testowego, aby najpierw sprawdzić, jaka moc lasera i prędkość dadzą zadowalające wyniki. Można wygrawerować zaledwie kilka milimetrów, a następnie sprawdzić, czy odcień grawerunku się podoba. Test ten można przeprowadzić dla kilku różnych obrazów. Należy przyjrzeć się najciemniejszym częściom wygrawerowanego obrazu i wykorzystać je jako punkt odniesienia do znalezienia idealnych parametrów.

Po określeniu parametrów wymaganych do uzyskania odpowiedniego odcienia koloru, można rozpocząć grawerowanie laserowe ostatecznego elementu.

Gdy wygrawerowany obrazek jest gotowy, na wygrawerowanym elemencie zawsze pozostaje trochę popiołu. Można go zdmuchnąć, ale nie jest to konieczne. Aby zabezpieczyć zdjęcie, należy nałożyć na nie kilka warstw lakieru. Należy to robić bardzo cienkimi warstwami, a pomiędzy kolejnymi warstwami pozostawić do dokładnego wyschnięcia. Po nałożeniu 3 cienkich warstw lakieru i odpowiednim wyschnięciu można przytrzymać zdjęcie rękami.

Uzyskane wyniki pokazano poniżej:


Laser Cutting in Wood a Picture of Giraffes
Laser Cutting in Wood a Picture of Wildlife

Bezpieczna praca z laserem CNC

Ze względu na poważne zagrożenia dla zdrowia, obróbka materiałów za pomocą laserów CNC o dużej mocy wymaga przestrzegania pewnych zasad bezpieczeństwa:

  • Podczas pracy należy zawsze nosić okulary ochronne i zwracać szczególną uwagę nie tylko na wiązkę światła wychodzącą z głowicy, ale także na promienie lasera, które są odbite i rozproszone.
  • Zaleca się instalowanie na maszynie dodatkowych osłon, które ułatwiają wentylację, dzięki czemu można odprowadzać dym poza pomieszczenie, a także zapewniają dodatkową ochronę przed rozproszonym światłem lasera.
  • Ważne jest, aby oczyścić powierzchnię obrabianego drewna z wszelkich cząsteczek kurzu, na przykład za pomocą wilgotnej szmatki. W ten sposób podczas grawerowania laserowego można uniknąć zapalenia się drobnych kawałków materiału i proszku drzewnego.
  • Ponieważ drewno jest materiałem łatwopalnym, który wydziela duże ilości dymu, pomieszczenie robocze powinno być dobrze wentylowane.
  • Obróbka sklejki, płyt wiórowych lub MDF może spowodować, że zawarte w materiale kleje przekształcą się w toksyczne opary.

Chcielibyśmy szczególnie podziękować Andre Alexandrowi Wijnowi za przygotowanie części artykułu "Grawerowanie w drewnie z dodatkiem sody oczyszczonej", w tym za znalezienie i przetestowanie sposobu grawerowania laserowego drewna z dodatkiem sody oczyszczonej, dostarczenie materiałów wizualnych oraz napisanie wstępnego tekstu do tej części, który został później opracowany i zredagowany przez nasz Zespół ds. Chcielibyśmy również podziękować Paulowi Deutschowi (odwiedź jego grupę na facebooku PLDesigns) za udostępnienie zdjęcia Speed versus Power w sekcji Grawerowanie laserowe w drewnie.