| Spis treści |
|---|
| Zastosowanie ploterów laserowych w modelarstwie |
| Uwagi na temat cięcia laserem rożnych materiałów |
| Jak przygotować dane do sterowania ploterem laserowym |
| Wszystkie strony |
W artykule tym opiszę technikę powtarzalnego i precyzyjnego wykonywania różnych elementów potrzebnych w modelarstwie kolejowym przy użyciu plotera laserowego. Metoda ta umożliwia wycinanie i grawerowanie płaskich przedmiotów z różnych materiałów: kartonu, sklejki, drewna balsa, forniru, laminatu, plexi, PCV, aluminium, stali. W odróżnieniu od dobrze znanej wśród polskich modelarzy metody trawienia blach (z mosiądzu i innych tego typu stopów), laserowe cięcie nie jest tak ograniczone co do grubości i typu materiału. Przewagą trawienia blach jest nieco większa precyzja oraz możliwość trawienia dwustronnego zarówno od spodu jak i od wierzchu blachy. Przy użyciu plotera laserowego można co prawda grawerować różne kształty na powierzchni materiału, ale z ograniczoną głębokością i rozdzielczością rastru.
Cięcie i grawerowanie laserem odbywa się za pomocą skupionej wiązki światła laserowego, która wytwarzając punktowo wysoką temperaturę, wypala, topi lub odparowuje materiał. Palnik laserowy porusza się nad obrabianą płytą materiału za pośrednictwem układu jezdnego X-Y, moc palnika oraz jego położenie sterowane są za pomocą odpowiedniego oprogramowania. Jednocześnie w miejsce ogniskowania światła doprowadzany jest silny strumień powietrza, który wydmuchuje dym i produkty spalania, aby zapobiec tłumieniu wiązki światła, a także gasi płomień i schładza krawędź poza miejscem ogniskowania oraz intensyfikuje spalanie w epicentrum wiązki (można stosować też gazy obojętne jeśli utlenianie nie jest pożądane). Tego typu urządzenia, szczególnie o mniejszej mocy lasera, są coraz bardziej popularne i wykorzystywane często w firmach świadczących usługi poligraficzno-reklamowo-grawerskie. Urządzenie takie potrafi przeciąć materiał na wylot, wykrawając z niego różne kształty, albo nadpalić jego powierzchnię, grawerując jakiś rysunek. Zaletą obróbki laserem jest duża szybkość cięcia, niewielka szerokość przecinanej szczeliny, powtarzalność, gładkość krawędzi oraz szerokie spektrum możliwych do obróbki materiałów. Ponadto koszty stałe są niewielkie i sprowadzają się do opłaty za kalibrację lasera. Najbardziej popularne urządzenia o mniejszej mocy używane są zazwyczaj do cięcia kartonu, plexi, cienkich sklejek. Grubsze sklejki mogą być cięte przez urządzenia o większej mocy, wyposażone w układ oddymiający. Najmocniejsze ale zazwyczaj mniej precyzyjne urządzenia stosowane są do cięcia blach.
Na pomysł wykorzystania takiego urządzenia w modelarstwie wpadłem kilka lat temu chcąc wykonać typowe dla kolejowych i przemysłowych okolic ogrodzenie z ażurowych prefabrykatów betonowych.
Płot z betonowych prefabrykatów, betonowe słupy oświetleniowe i inne elementy typowej dla okolic kolei i przemysłu tzw. małej architektury – to wszystko można imitować powtarzalnie i precyzyjnie wyciętymi laserem elementami.
Powiada się, iż lenistwo matką wynalazków, toteż perspektywa żmudnego wycinania z każdego kawałka kartonu 15tu otworków o wymiarach 0.7x4.5 mm, ewentualnie składania trawionych blach w celu uzyskania odpowiedniej grubości lub żmudnego odlewania bez gwarancji że forma lub odlew nie uszkodzą się przy wyjmowaniu, spowodowała, że zacząłem szukać firmy która by wycięła takie elementy laserem z kartonu. Pomysł okazał się być bardzo przydatny nie tylko do produkcji kartonowych imitacji ogrodzeń, ale również różnego rodzaju chodników i płyt betonowych, słupów betonowych niskiego i średniego napięcia, ram okiennych, podkładów drewnianych, desek i konstrukcji drewnianych, murów ceglanych, przekładek dystansowych lub izolacyjnych np. do semaforów świetlnych, napisów z nazwą stacji itp.
Uwagi na temat cięcia laserem różnego rodzaju materiałów.
1. Karton. Przy dokonywaniu zakupu kartonu należy zwrócić uwagę nie tylko na grubość arkusza, która powinna być dostosowana do podziałki w jakiej wykonujemy model, ale również na gramaturę i jakość kartonu. Gramatura powinna być jak największa w stosunku do grubości, a karton najlepiej dwustronnie powlekany papierem, np. ja stosuję importowany z Włoch karton, który przy grubości 0.85 mm posiada gramaturę 600g/m2. Dobra jakość kartonu jest kluczowa, ponieważ elementy nie powinny się one rozwarstwiać lub wypaczać podczas malowania lub pod wpływem kleju. Niektóre firmy komercyjnie produkujące wycinane laserem elementy kartonowe stosują, w celu minimalizacji kosztów, tańsze i gorsze jakościowo kartony, nie chodzi tu o cenę samego materiału który ma niewielki udział w całości kosztu, ale o koszt pracy lasera, zależny od czasu cięcia. Spoisty karton tnie się wolniej niż ten o mniejszej gęstości.
IMG_7594.JPG
Imitacje ogrodzeń prefabrykowanych, płyt chodnikowych i drogowych, krawędzi peronowych, murów ceglanych, słupów betonowych niskiego i średniego napięcia, wycięte laserem z kartonu o różnej grubości, drewna balsa oraz laminatu grawerskiego. W prawym górnym rogu awers i rewers ażurowego elementu wskazuje na niewielką różnicę wielkości otworów (zgodną zresztą z oryginałem).
Wystarczy skleić i pomalować i typowe polskie prefabrykowane ogrodzenie w skali 1:87 będzie jak żywe.
2. Tworzywa sztuczne. Najczęściej ciętym tworzywem jest plexi czyli polimetakrylan metylu, występujący w różnych grubościach. Materiał ten nie pali się jak sklejka czy karton, lecz topi, na dodatek jest przeźroczysty więc strumień światła lasera z łatwością penetruje w głąb, co daje bardzo dużą prędkość i głębokość cięcia. Materiał w wersji przeźroczystej lub barwnej często używany w firmach reklamowych, ale w modelarstwie ma niewielkie znaczenie, aczkolwiek można z niego wykroić precyzyjnie elementy pulpitu kostkowego, albo próbować robić podświetlane kształtki imitujące neony i świetlówki, np. nazwę stacji. Ograniczeniem wykonywania drobnych elementów jest powtórne sklejanie odciętych powierzchni i deformacja pod wpływem zakumulowanego na jednostkę powierzchni ciepła. Przeprowadzone próby wycinania literek o wysokości 8 mm wraz z naciętym wewnątrz światłowodem wykazały że dodatkowe nacięcie często ponownie się zasklepia. Natomiast proste kształty można wycinać bez problemu. Wycinać laserem można również polietylen PE, gumę i różnego rodzaju laminaty. Niektóre tworzywa sztuczne zazwyczaj nie nadają się niestety do obróbki laserem ze względu na termiczną deformację krawędzi cięcia (np. polistyren PS) lub są niechętnie używane, gdyż pod wpływem wysokiej temperatury wydzielają się agresywne i toksyczne gazy (np. PCV).
Litery wycięte z kartonu oraz z pleksi, te drugie można próbować podświetlić, ale raczej nie od dołu tylko od tyłu.
Stacja Bartosza Bąka posłużyła autorowi do eksperymentów z podświetlanymi literami wyciętymi z pleksi.
3. Drewno, sklejka. Większość ploterów laserowych dobrze sobie radzi z cięciem sklejki do grubości 3 do 6 mm. Grubsze sklejki cięte są bardzo niechętnie z uwagi na dym i gazy towarzyszące spalaniu drewna i kleju, często też laser nie ma wystarczającej mocy aby przeciąć grubszą sklejkę, szczególnie wodoodporną. Z tego powodu wykonywanie np. profili czołowych do makiet modułowych może się okazać drogim przedsięwzięciem, porównywalnym z kosztami użycia mechanicznych urządzeń CNC. Przemysł drzewny zareagował już na ten problem – niektórzy producenci oferują sklejki do cięcia laserem, wykonane z drzewa liściastego, o jednorodnej strukturze i zmniejszonej zawartości kleju. Natomiast bez problemu można ciąć cieńsze sklejki, drewno balsa, fornir. Ja w ten sposób wykonywałem imitacje słupów betonowych. Należy tylko pamiętać o kierunku słojów drewna istotnym dla wytrzymałości.
Profile czołowe makiety modułowej, wycięte ze sklejki 10 mm.
Imitacje słupów żelbetonowych ŻN10 wykonane z drewna balsa – surowy oraz pomalowany (emulsja Faller Strassenbeton) i uzbrojony w fototrawiony osprzęt elektryczny.
4. Metal. Cięcie laserem metalu jest trudniejsze, wskazane jest wcześniejsze zmatowienie powierzchni w celu zwiększenia absorpcji światła. Wymagana moc lasera jest również większa niż w przypadku innych materiałów, a wraz z mocą lasera spada precyzja wykonania. Ale do precyzyjnego wykonania detali z blachy doskonale służy wszak fototrawienie, natomiast wycinanie laserem może być wykorzystane w przypadku grubszych blach stalowych, np. do wykonania masywnego podwozia wagonu, albo wzorników do montażu rozjazdów. Podobnie jak w przypadku grubej sklejki, konkurencyjną do obróbki laserem może się okazać frezarka numeryczna.
Wzorniki do kalibracji szyn na modułach dwutorowych oraz do justowania sprzęgu wagonów, wycięte laserem z nierdzewki 4 mm.
Jak przygotować dane do sterowania plotterem laserowym
Oprogramowanie sterujące laserem akceptuje zazwyczaj, jako wejściowe, dane wektorowe w formacie programu CorelDRAW ®, i w takim formacie najczęściej dostarcza się pliki z narysowanym prototypem cięcia i grawerowania. Program AutoCAD ® jest rzadko w tym środowisku wykorzystywany z uwagi na to, że do sterowania ploterem wystarczają rysunki dwuwymiarowe. Lepiej od razu narysować projekt w programie CorelDRAW (w sieci jest dostępna wersja próbna), ponieważ przy konwersji z innych formatów może dojść do przeskalowania rysunku. Wskazana jest konsultacja z technikiem obsługującym ploter w celu ustalenia technicznych szczegółów wykonywania rysunku, takich jak sterowanie trybem pracy cięcie/grawerowanie (zazwyczaj za pomocą koloru obiektów), kolejnością wycinania (w programie CorelDRAW można zmieniać kolejność obiektów, ale różnie oprogramowanie plotera uwzględnia tę właściwość, przykładowo laser którego używam wycina najpierw obiekty ze spodu stosu). Kolejność wycinania jest istotna szczególnie gdy wycinamy drobne elementy z lekkiego materiału – przykładowo najpierw należy wyciąć wnętrze framug okiennych, a dopiero potem obramowanie framug. Gotowy rysunek powinien być wydrukowany w celu sprawdzenia poprawności wymiarów i kształtów. Jeżeli przygotowujemy jakiś większy rysunek, np. w celu wycięcia ze sklejki profili do makiety, musi się on zmieścić w obszarze roboczym plotera, a cięty materiał musi się zmieścić na stole lub w komorze roboczej.
Kilka słów trzeba poświęcić różnicy między trybem cięcia i grawerowania. Otóż zasadnicza różnica polega na tym, iż cięcie polega na prowadzeniu palnika laserowego wzdłuż narysowanej linii, natomiast grawerowanie polega na rastrowym wypalaniu równoległymi liniami narysowanych płaszczyzn. Cięcie jest stosunkowo szybkim procesem, szczególnie jeśli wzdłuż linii nie ma zbyt wielu węzłów przy których ramię plotera się zatrzymuje, natomiast grawerowanie jest bardzo czasochłonne z uwagi na bezwładność mechanizmu, który musi wciąż zatrzymywać i przesuwać laser tam i z powrotem. Ponadto grawerowanie nie zostawia gładkiej płaszczyzny, tylko prążkowana fakturę. Z tego powodu nie polecam grawerowania ani w przypadku dużych płaszczyzn (lepiej wyciąć dwa elementy i je na siebie nakleić), ani w przypadku cienkich linii, które mogą być wręcz niewidoczne. Przykładowy rysunek pokazuje różnicę między wycięciem kwadratu a wygrawerowaniem na nim krzyża.
Różnica między cięciem lub nadcinaniem (czarna linia) a grawerowaniem rastrowym (szary krzyż).
Ponieważ raster grawerski zawsze jest wykonywany w jednym kierunku (szare poziome linie), wykonanie pionowej linii jest znacznie dłuższe niż poziomej, a w dodatku, gdyby była cieńsza niż ok. 1 mm to byłaby mało czytelna. Dlatego w przypadku konieczności nacięcia linii (fugi między cegłami, szpary między płytkami chodnikowymi, linie zagięć itp.) należy się umówić z operatorem plotera laserowego, aby linie które mają być nacięte, wyróżnione np. innym kolorem niż linie cięcia na wylot, były wypalane osobno, z mniejszą mocą lasera, a dopiero w drugiej kolejności linie cięcia. Głębokość nacięcia trzeba ustalić eksperymentalnie.
Paski z ponacinanymi płytami chodnikowymi typu 50x50 cm
Drugą ważną sprawą jest odpowiednie zaprojektowanie cięcia drobnych elementów. Po pierwsze, należy uwzględnić zmniejszenie wymiaru o połowę szerokości cięcia. Szerokość wycinanej szczeliny zależy od tego co tniemy. Z uwagi na kształt zogniskowanej wiązki światła, przekrój szczeliny ma kształt odwróconego trapezu, na spodzie szerokość szczeliny zazwyczaj jest rzędu ułamków milimetra, na wierzchu nieco większa, zależna od grubości materiału, a czasem także od rodzaju tego materiału i mocy wiązki. Po wykonaniu próbnego wycięcia trzeba czasem skorygować wymiary na rysunku. Drugim, jeszcze ważniejszym problemem jest wspomniany już nadmuch powietrza w okolicę wiązki lasera. Drobne elementy, szczególnie z lekkich materiałów jak papier lub karton, nie mogą być wycinane w całości, ponieważ zaczną po prostu fruwać po stole, co gorsza wpadając w wiązkę światła laserowego. Ponadto obsługa plotera ma niepotrzebne zajęcie ze zbieraniem wszystkich elementów, a my mamy potem dodatkowe zajęcie ze znalezieniem konkretnych elementów. Wskazane jest więc zostawić niedocięte fragmenty, podobnie jak się to robi przy trawieniu blachy, tak aby wszystko pozostało w jednej całości. Poszczególne elementy łatwo potem oddzielić ostrym nożykiem. Jak już wspomniałem wcześniej, ważna jest też kolejność wycinania, całość formatki powinna być odcięta na końcu.
Tak drobne i lekkie elementy jak wycięte z cienkiego kartonu okna do waloryzacji budynku (w miejsce przeskalowanych plastikowych) powinny pozostać niedocięte, aby pozostać w dużej formatce a nie błąkać się luzem jak na powyższym obrazku.
Inne porady, mające na celu np. optymalizację czasu trwania procesu poprzez odpowiednie ułożenie linii cięcia, są już mniej istotne w przypadku amatorskiej produkcji elementów ciętych laserem i zbyt zależne od konkretnej aparatury i oprogramowania, aby zajmować miejsce w artykule. Mam nadzieję, że artykuł będzie pomocny dla osób z inwencją twórczą, która dzięki opisywanej metodzie może się rozwijać, łamiąc dotychczasowe ograniczenia. Jeżeli udało mi się was zachęcić do tej metody i odnajdziecie w swojej okolicy firmę wykonującą takie usługi, z pewnością personel będzie służył radą i pomocą.
Ogrodzenia prefabrykowane oraz drewniane sztachety na ceglanej podmurówce zostały wycięte laserem przez autora artykułu na potrzeby makiety „Międzychód” PKMK.
