Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Corte a Laser de um Gabinete para Comparação com Impressão 3D e Fresamento

Há sempre um próximo passo, uma nova oportunidade para aprender. Para mim, essa é a melhor parte de ser um criador. Eu gostaria de conhecer três tecnologias modernas de fabricação, uma impressora 3D de filamentos, uma impressora SLA 3D de resina e um roteador CNC. Na Columbus Idea Foundry, um espaço de fabricantes locais, tive acesso a esses dispositivos. Isso levou ao meu artigo, publicado no Make: em janeiro. Eu queria entender os pontos fortes e fracos de cada uma dessas tecnologias e como um iniciante com todos eles, era a oportunidade perfeita para comparar.

Meu projeto de comparação foi criar um gabinete para um "Camera Axe", um controlador de câmera para fotografia de alta velocidade desenvolvido por outro fabricante, Maurice Ribble. Eu construí o quadro de um kit. Enquanto funcionava perfeitamente sem um gabinete, parecia errado usá-lo “nu”. Mas isso era um desafio, a placa não foi projetada com um gabinete no meio. ICs e capacitores ficaram mais altos na placa do que os switches usados ​​para controlá-lo e a tela LCD. Não é uma tarefa fácil.

Meus colegas da Idea Foundry ficaram encantados com o artigo, mas se perguntaram por que eu parei em três tecnologias de fabricação. E quanto ao nosso cortador / gravador a laser Trotec Speedy 400, eles se perguntaram. E assim rodada 4 começou. Eu nunca usei um cortador a laser também.

(Redesenhar

Em comparação com abordagens aditivas como impressoras 3D e técnicas subtrativas como roteadores CNC, trabalhar com cortadores a laser é um jogo completamente diferente. Pode-se chamar esse modelo de fabricação de "assemblativo". Os cortadores a laser não podem criar cavidades, portanto a criação de um gabinete requer o corte de uma variedade de peças e sua montagem. Mas, enquanto eu olhava para designs de gabinetes de corte a laser na web, fiquei incomodado com a aparência deles. Alguns pareciam sanduíches errados, com a altura do recinto provida por muitas camadas empilhadas de acrílico. Outros pareciam mais quebra-cabeças com os lados e parte superior feita de peças interligadas. Eu queria produzir um gabinete com um visual mais profissional. Como antes, eu também queria criar o gabinete usando apenas uma ferramenta, neste caso o cortador a laser, e me limitando a fixadores como complementos. Escolhi a folha de acrílico como material, tanto porque é relativamente fácil de cortar quanto porque eu tinha uma fonte de sucata barata em um distribuidor local.

O avião é a dor

Tendo trabalhado no mundo dos verdadeiros 3d, repensar o design como um conjunto de superfícies planas parecia muito restritivo. Como mencionado acima, este gabinete precisava acomodar uma série de solavancos e recessos. O que eu estaria desistindo? De certa forma, o passo em frente parecia simples. Basta usar o Fusion 360, meu software CAD 3D preferido, eliminar qualquer chanfro em superfícies horizontais e depois cortar o gabinete em planos. Eu então cortava cada avião no cortador a laser. Um top, um fundo e 4 lados.

Mas a espessura é infinitamente variável em uma impressão 3D. A folha de acrílico vem em espessuras definidas, 1/16 ”, 1/8”, etc. Meu design original tinha recessos na parte superior para tornar os botões acessíveis e recessos na parte inferior do topo para acomodar as partes que se projetavam acima da altura do alto botões. Como o cortador a laser não pode criar recessos em uma superfície, cada um desses níveis exigiria sua própria peça de acrílico. Mas também, a variação na altura não foi necessariamente 1/16 "ou 1/8". Isso exigiria uma boa dose de experimentação, tanto na ferramenta CAD quanto nas peças reais do protótipo. Depois de algumas iterações, meu design ficou assim:

Do Fusion 360 para o Corel

Tomar parte do projeto CAD para a produção com uma impressora 3D ou um roteador CNC é um processo de duas etapas. Por exemplo, com a impressora Lulzbot TAZ, o design é exportado do CAD e importado para a Cura, onde é preparado e enviado para a impressora. Ir de um projeto CAD para o produto final usado com o sistema de laser Trotec é um processo de três etapas.

  1. Exportar o desenho da ferramenta CAD
  2. Importe o desenho em um programa de gráficos vetoriais onde cores específicas são atribuídas para definir as áreas a serem gravadas ou cortadas
  3. Imprima o arquivo do programa de gráficos vetoriais que aciona o software Job Control para carregar. Nessa ferramenta, posicione o laser, posicione a peça, defina a velocidade e a potência do laser para cada área do projeto e, em seguida, inicie o trabalho.

Nessa configuração de velocidade e potência do laser, o corte a laser compartilha outra característica comum com o roteamento CNC. No mundo do CNC, “feeds e velocidades” são um pouco uma forma de arte. Qual material está sendo encaminhado? Quão rápido deve estar girando? Quantas polegadas / segundo o roteador deve mover? Quão profunda deve ser cada passagem? As configurações do cortador a laser são semelhantes. Que material estamos cortando ou gravando? Quão rápido deve o laser se mover através do material? Qual porcentagem de potência total deve ser usada? E a que freqüência os pulsos de laser devem atingir o material? Tal como acontece com o software de controlo do router CNC, o software Trotec Job Control incorpora definições para uma vasta gama de materiais. Ainda experimentação é necessária.

O laser Trotec usa um editor de gráficos vetoriais como ferramenta de design. Eu tinha uma cópia do Corel Draw, então essa foi minha ferramenta de escolha. Mas como obter um desenho do Fusion 360 e no Corel. A Corel aceita desenhos CAD no formato DXF (somente a versão pro, não a versão Home). Mas para minha vida, não consegui encontrar uma maneira de exportar um DXF para fora do Fusion 360. Depois de muitas horas desperdiçadas, aprendi que você precisa desativar o "Capture Design History" para exportar um arquivo DXF de um esboço . Isso não faz sentido para mim e é uma dor de cabeça significativa. Depois de desativar o histórico para fazer a exportação, você poderá ligá-lo novamente, mas perderá todo o histórico de design anterior. Feio!

Aprendendo as limitações

A seção intermediária do meu design (entre as duas camadas superiores e a inferior) tinha cerca de 2,5 centímetros de altura. Meu pensamento inicial foi cortá-lo de um bloco de acrílico de 1 polegada. Isso pareceu uma boa ideia, mas me deparei com dois problemas. Primeiro, as paredes nas laterais precisam ser bem finas para permitir a inserção de extremidades de cabo de 3,5 mm nos conectores da placa. Eu estava preocupado que aquelas paredes finas se deformassem sob o calor do laser. Então, eu divido esse nível do design em 4 componentes, duas extremidades e duas paredes laterais.

Eu ainda queria criar as cápsulas de acrílico de 1 polegada. Eu pedi um quadrado de 12 polegadas de 1 polegada de acrílico on-line, mas uma vez que eu tentei cortá-lo, eu encontrei o segundo problema. O Trotec Speedy 400 é um poderoso cortador / gravador a laser, com um laser de 120W. Mas isso não foi páreo para o acrílico de 1 polegada. Eu consegui cortar a peça, mas apenas devagar e o resultado foi triste. Os buracos começaram pequenos, mas cresceram em diâmetro quando o laser cortou mais fundo. Os lados do corte estavam muito deformados. Por fim, eu divido cada tampa em duas partes horizontalmente e cortei-as em ½ ”de acrílico. Eu ainda acabei com um sanduíche, mas não com uma pilha de 10 camadas.

Surpreendentemente, enquanto as seções de meia polegada da capa mantêm sua forma, elas perderam um pouco de altura, talvez 1/16 de polegada. No final, usei alguns espaçamentos mais curtos para montar o quadro e isso me resgatou do problema da altura.

Cadastro

Se você olhar de perto para o meu desenho, verá que a tampa traseira possui uma abertura para um cabo de alimentação. Para criar isso, eu precisaria girar uma das minhas tampas de lado e cortar uma abertura em forma de U. Isso trouxe seu próprio desafio. Depois de puxar a peça do laser, como iria posicioná-la com precisão para esse corte lateral. Depois de várias tentativas fracassadas, tropecei na solução em um daqueles momentos de insônia que duravam a noite inteira. Eu criei um esboço rápido do lado da tampa com a abertura em forma de U:

Eu então coloquei um pedaço de acrílico de ¼ ”de polegada no canto superior esquerdo do Trotec, um local que eu poderia replicar. Em seguida, posicionei o laser para iniciar o corte e defini um “Marcador” usando o software Trotec Job Control.Isso me deu uma posição de laser que eu também poderia replicar. Este foco na replicação da localização do laser e da peça é crítico, porque cada vez que você abre o Trotec, o laser volta para “casa”.

Com este sistema, gravei o meu desenho na folha de acrílico da Trotec. Após a conclusão da gravação, coloquei meu acrílico sobre a peça para verificar se o orifício do cabo estava localizado corretamente. Em seguida, devolvi a folha gravada ao cortador a laser e, desta vez, cortei o perímetro da forma. Uma vez que o perímetro foi cortado, eu removi o espaço em branco e substituí-lo com o meu endcap real. Por fim, ajustei as configurações de controle de trabalho para ignorar o perímetro, mas cortei o furo. O resultado foi um buraco perfeitamente posicionado na lateral da tampa.

Parafusos de posicionamento

Como eu estava usando parafusos para montar o gabinete, eu precisava cortar furos precisos. Isso acabou por ser fácil. Mas fiquei incomodado com a ideia de que minhas cabeças de parafuso (ou as porcas que seguram os parafusos) estariam projetando-se do fundo da caixa. Eu não queria arranhar uma superfície de trabalho. Isso levou a um pouco mais de experimentação. Consegui ajustar as configurações para gravar profundamente no acrílico de 1/8 ”da base. Mas gravando na metade do acrílico eu poderia criar orifícios rebaixados que seguravam bem as 2-56 nozes. Problema resolvido!

A alegria da rotulagem

Se houve uma limitação que achei irritante em minha experiência ao criar esse gabinete com impressoras 3D e roteadores CNC, foi a falta de uma boa maneira de fornecer etiquetas para os switches e portas na placa de circuito. Eu imprimi a versão em filamento do case em azul e criei etiquetas de decalque com um fundo azul e letras brancas se transformando em uma verdadeira dor de cabeça. Eu tive que usar cores para combinar com o fundo da etiqueta com o plástico, deixando as letras em branco. Funcionou mas o resultado não foi muito profissional. Aprendendo com essa experiência, criei meu gabinete impresso em resina em branco. Dessa forma eu poderia usar decalques tradicionais com letras pretas. Mas mesmo aqui o resultado foi menos do que profissional. Os decalques eram difíceis de alinhar precisamente no case. Quanto à versão roteada CNC em cerejeira, acabei de desistir. Nada que eu pudesse pensar me permitiria criar rótulos bonitos nessa superfície. Por outro lado, criar rótulos com o gravador a laser é muito fácil. A Corel (ou seu editor de gráficos vetoriais de escolha) é adepto de trabalhar e posicionar o texto. Eu editei o design para a minha "tampa inferior" para adicionar os rótulos e imprimi-lo em acrílico preto.

Enquanto o papel de máscara no acrílico ainda estava no lugar como uma máscara, eu então enchi as letras com tinta branca. Por fim, cortei a tampa superior em acrílico transparente para proteger as letras.

Então aqui está: O gabinete do Axe Camera em acrílico de corte a laser.

Conclusões

Se as impressoras de filamento e resina / SLA de meus experimentos anteriores são 3D e um roteador CNC é 2.5D, um gravador / cortador a laser é decididamente 2D. De certa forma isso é uma vantagem. As partes que saem do laser têm uma aparência finalizada. Eu certamente não perdi o tempo que passei lixando as versões de plástico e madeira do recinto. Mas, mais do que com as outras tecnologias, encontrei-me lutando com as restrições planares de materiais em folha.

Surpreendentemente, a outra desvantagem do cortador a laser está na escolha dos materiais. Enquanto um pode gravar muitos materiais, incluindo vidro, pedra e alguns metais, materiais de corte é muito mais limitado. Madeira e folha de plástico são os materiais mais comuns para o corte a laser. Outros, como papel, tecido, couro, etc., podem ser facilmente cortados, mas esses materiais macios não são apropriados para a produção de objetos duros. E mesmo com um laser poderoso como o Trotec Speedy 400, como descobri, pode não ser possível cortar mais do que meio a três quartos de polegada. É claro que na web eu vi cortadores a laser cortarem três polegadas de aço. Mas esses chegam a centenas de milhares de dólares.

Por outro lado, o laser ganha mãos para baixo por velocidade. Embora eu estivesse usando uma mistura de acrílico de 1/16 ”, 1/18” e ½ ”, o tempo real de quando eu comecei o trabalho até a conclusão da peça foi medido em minutos, às vezes segundos. As impressoras e roteadores 3d levaram horas para fazer a mesma coisa. Outra maneira de pensar sobre isso: uma vez que o projeto foi finalizado, as impressoras 3d precisavam de 12 a 18 horas em grande parte desatendidas para produzir as duas metades do recinto. O roteador CNC levou de 6 a 7 horas para fazer a mesma coisa. Por outro lado, eu poderia produzir as 7 partes do meu gabinete de laser em menos de uma hora. O lixamento e a montagem da impressora de filamento levaram cerca de três horas, principalmente lixamento. Para a impressora SLA, foi uma tarefa de 1 hora. Montar as múltiplas partes do estojo de acrílico leva cerca de 15 minutos. O corte a laser / gravação ganha essa batalha facilmente.

Apesar das limitações mencionadas acima, acho que o corte a laser é uma experiência muito satisfatória. A máquina parecia excepcionalmente bem projetada com software bem desenvolvido para facilidade de uso, mesmo para usuários casuais. Essa certamente não é uma descrição que eu usaria para impressoras 3D. Todos se sentem menos polidos e ásperos nas bordas. Das tecnologias que experimentei (até agora), o corte a laser é o primeiro que eu recomendaria a alguém que não tivesse a paciência e a determinação de um determinado fabricante.

Encerrei o último artigo com uma tabela listando as características das impressoras 3D e do roteador ShopBot CNC. Aqui está outra coluna para essa tabela:

Trotec Speedy 400
Tecnologia Laser de CO2 de 120W
Opções e limites de material ***
Tipos de material Apenas materiais de folha.

Para o corte, madeira, plástico, couro, papel

Para gravação, o vidro e o metal acima

Limitação do design - espessura da parede A espessura da parede é amplamente limitada pela resistência do material. 1/16 ”é viável.
Limitação de design - Saliência sem suporte (graus a partir do nível) Sem excesso possível
Limitação de design - comprimento do vão da ponte Nenhuma ponte possível
Diâmetro do furo Minimun Eu tive sucesso até 2mm. Estou confiante de que em materiais relativamente finos isso poderia ser de 1 mm ou menos
Pré-processador de componentes ****
Nome da Aplicação Corel Draw ou outro programa de gráficos vetoriais. Então Trotec Job Control

Facilidade de Aprendizagem O Corel é complexo, mas os tutoriais estão prontamente disponíveis na web. O Job Control fornece perfis para tipos de materiais.

Fácil de usar
  1. Carregar desenho no Corel
  2. Ajustar cores para cortar / gravar
  3. Enviar para impressora
  4. Selecione os parâmetros apropriados do material
  5. Impressão
Operação de cortador a laser ****
Fácil de usar
Velocidade para produzir componente 10 minutos para produzir um único componente
Limpeza pós-impressão Muito pouco. Apenas remova os materiais, limpe a lente e a cama.
Limpeza de espaço de trabalho pós-trabalho Relativamente fácil. Limpe o leito de impressão com álcool e prepare-se para a próxima impressão.
Mudando materiais Basta levantar o material antigo, inserir novo material, refocar
Qualidade dos componentes ****
Precisão dimensional inacabada Excepcional, particularmente em stock ¼ ”ou menos.
Precisão dimensional acabada Pouco acabamento necessário
Opções adicionais de acabamento Para folha de acrílico, nenhum. Para outros materiais, termine conforme apropriado ao material (madeira de envernizamento, por exemplo).
Esforço para terminar Muito pouco tempo necessário.
Força do Componente ***
Estrutura material O acrílico de corte a laser é flexível e com espessura superior a 1/16 ”, relativamente forte. Acrílicos e outros plásticos podem ser riscados com muita facilidade.
Resistência à tração Varia de acordo com o material cortado, mas os materiais de folha que não sejam de metal não são muito fortes
Compressão Novamente, a resistência à compressão é influenciada pela espessura e força das camadas individuais.
Torcendo As camadas não estão coladas umas às outras (como acontece com uma impressora 3D. Pouca resistência à torção.
Opções de fixação ****
Parafusos Materiais finos como acrílico laminado podem ser conectados com parafusos, idealmente com cabeças grandes quando a carga está presente. Buracos introduzem fraqueza no componente. A perfuração é um pouco complicada sem os bits apropriados. O corte a laser dos furos é o preferido.

Como a maioria dos cortadores a laser é relativamente fina, as mesmas diretrizes são apropriadas para o uso de parafusos com madeira cortada.

Colas Cola apropriada para o material (plástico ou madeira) em questão. Para a folha de acrílico, use solvente acrílico, embora não preencha as lacunas. O solvente acrílico macula facilmente a folha acrílica.

Ação

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