Lasercutter (Alt)

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Lasercutter Release status: experimental [box doku]
Description	Schneidlaser für möglichst auch Metalle
Author(s)	TeslaDennis , MadEnginner, André, Netzpfuscher
Last Version	0.1

Beschreibung

Bei diesem Projekt möchten wir einen Schneidlaser bauen der stark genug ist um Material zu schneiden oder Oberflächen zu gravieren. Die Leistung hängt maßgeblich vom eingesetzten Laser ab. Der finale Aufbau soll ähnlich einem X-Y-Plotter aufgebaut werden. Statt des Stifts wird der Laserstrahl auf das Material gelenkt. Haupteinsatzgebiet dürfte dann das direkte erstellen von PCB's aus unbeschichteten Platten sein.

Aktueller Stand

Der Laser wurde beschafft. Erste Gehversuche den Laser pulsweise in Betrieb zu nehmen sind erfolgreich abgeschlossen. Es wurde auf verschiedene Materialien "geschossen" um zu schauen "wat der denn so kann".

Wir haben mit der Hardware eines Rubinlasers den YAG probehalber in Betrieb genommen. Die Hardware ist für unseren Fall nicht zu gebrauchen da sie zu wenig Leistung besitzt. Für einzelne Testschüsse war die Hardware aber zu gebrauchen. Wir werden die Baugruppen zerlegen und die Teile daraus wiederverwenden. Insbesondere den Zündübertrager mit Beschaltung und die Hochspannungsdioden.

Wir haben nun ein eigenes Zündnetzteil gebaut. (siehe Zündeinheit)

Der aktuelle Stand lässt sich im unten verlinkten YouTube-Video anschauen!

Komponenten

Das System wird aus drei Teilen bestehen:

• Dem XY-Tisch mit Laser
• Der Steuerung (bevorzugt in 19" Baugruppen)
• Ein Computer der das ganze mit Daten versorgt
• Peripherie, der Laser braucht Kühlwasser und Druckluft.

Laserkopf

Unser Nd:YAG-Laserkopf.

Bei dem Laserkopf handelt es sich um einen blitzlampengepumpten ND:YAG Laser mit Wasserkühlung. Der Laser besitzt eine Ausgangsleistung von 15 Watt im Mittel und eine Pulsleistung von 40 Kilowatt, bei einer Wiederholrate von 20 Hz darf die Pumpenergie maximal 80J betragen. Die Zündspannung der Lampe wurde auf ca. 10kV bis 12kV geschätzt. Die Brennspannung der Lampe beträgt 600V bei einem Strom von 20mA. Bei einem Strom von 70mA sinkt sie auf etwa 200V. Für das Einleiten der Simmerentladung ist jedoch eine Spannung von etwa 1kV nötig.

Netzteil

Das Powernetzteil, wie wir es vorgefunden haben.

Für die im Laser verbaute Blitzlampe wird ein hoher Strom bei einer hohen Spannung benötigt. Der Strom wird durch einen Kondensator bereitgestellt, da die Blitzlampe, wie der Name schon sagt, nur pulsweise betrieben wird. In unserem Fall besteht der Kondensator aus zwei GeneralAtomics Hochspannungskondensatoren mit 42µF bei maximal 5kV. Da die Blitzlampe jedoch nur mit einer Energie von 80J belastet werden darf, wird hier nur eine Ladespannung von 1400V benutzt. Bei voller Leistung müssen diese Kondensatoren 30mal pro Sekunde aufgeladen werden. Wenn man die Zeit für die Zündung der Lampe und die Entladung vernachlässigt, bedeutet dies man hat maximal 50ms Zeit. Dies allein entspricht schon einer Ladeleistung von <math>P_min = \frac {\frac 1 2 \cdot C \cdot U^2} {t} = 1600W</math> Bei einer Zeitspanne von 40ms ergibt sich schon eine benötigte Leistung von 2kW. Diese Anforderungen zeigen schon das der Eigenbau eines Schaltnetzteils dieses Kalibers nicht gerade einfach sein wird.

Durch einen glücklichen Ebay-Treffer bekamen wir einen großen Kupferdampflaser (Ausgangsleistung 26W grün, Pulsleistung 90kW), bei dem durch einen unglücklichen Zwischenfall die Laserröhre zerbrach. Doch so stand dessen Hochspannungsnetzteil zur Verfügung. Das Netzteil erzeugte in seinem alten Zuhause eine Spannung von 8kV bei einer Leistung von 6kW. Die Leistung ist ausreichend, nur leider ist die Spannung viel zu hoch. Also waren ein paar Modifikationen nötig.

Das Netzteil und seine Modifikationen

Die Spulen, nachdem wir sie modifiziert haben.

Der Hochspannungstrafo besteht aus zwei dicken Primärwindungen und vier stark voneinander isolierten Sekundärwicklungen, von denen jede 8kV erzeugt. Die verschiedenen Wicklungen wurden im Orginal nach der Gleichrichtung parallel geschaltet. Es sieht so aus, als wenn dies ein Universalmodul war, welches je nach Verdrahtung Ausgangsspannungen von 8kV bis zu 32kV erzeugen konnte. Darauf deuten auch die Auslegung der Gleichrichterdioden hin, denn jeder Zweig der Brückengleichrichter besteht aus vier in Reihe geschalteten 10kV Dioden. Ebenso ist das Hochspannungssteckersystem Marke Eigenbau auch für eine wesentlich größere Spannungs ausgelegt, wie man an der sehr langen Isolation des Steckers erkennen kann. Das Interessante ist, dass dieses Steckersystem eigentlich aus Pressfittingen für Rohre besteht und die Kontaktierung über eine an dem Koaxialkabel angelöteten Mutter und eine Feder erfolgt.

Zur Anpassung an die geänderte maximale Ausgangsspannung von nur etwa 1,5kV wurden die alten Sekundärwicklungen komplett entfernt. Dabei wurden aber die Anzahl der Windungen mitgezählt. So konnte die Ausgangsspannung einfach durch Anpassen des Verhältnisses geändert werden. Wegen der hohen zu erwartenden Ströme wurde die Wicklung mit 1,2mm Kupferlackdraht ausgeführt.

Der alte Gleichrichter wäre dem hohen Strom auch nicht gewachsen gewesen, also musste auch hier ein neuer her. Dieser besteht aus einer Reihen- und Parallelschaltung von mehreren UF4007 Dioden (1kV 1A ultrafast). Ebenso musste der Strommesshunt auf der Sekundärseite gegen Masse entsprechend verkleinert werden. Mangels eines passenden 2,7Ohm Shunts wurde eine Streifenrasterplatine Mäanderförmig beschaltet bis der Widerstand durch die Bahnen genau 2,7Ohm betrug. Dank der großen Oberfläche des Shunts kann dieser die entstehende Abwärme gut an das Öl abgeben. Leider mussten wir bei den ersten ernsthafteren Tests mit einer höheren Widerholrate feststellen, dass dies nicht der einzige Messshunt war. Während eines Testes kam es zu einem Ausstoß von magischem Rauch und der mittlerweile unterdimensionierte Shunt auf einer Karte des Netzteil rauchte ab. Nach einer Studie der Schaltpläne und Leiterbahnverfolgung auf einer undokumentierten Leiterkarte fanden wir die Ursache und konnten sie beheben.

Auch der Vorwiderstand zur Messung der Ausgangsspannung wurde von 200MOhm auf 50MOhm verkleinert. Ohne diese Änderungen hätte man über die externe Sollwert-Vorgabe nur einen sehr kleinen Aussteuerbereich zur Verfügung.

Steuerung

Unsere selbstgebaute Steuerplatine.

Unsere Steuerplatine und die Thyristorvollbrüche incl. Ansteuerung.

Zur Steuerung des Netzteil gibt es eine 25polige D-Sub-Buchse auf dessen Rückseite. Über diese Schnittstelle lassen sich viele Funktionen ansprechen. Wie zum Beispiel:

• Open Kollektor Statusausgänge (On, Off, Überlast, Interlock, Inhibit, End-of-Charge, ...)
• Poweronoff -Taster (On NC, OFF NO -->Laut TeslaDennis üblich bei Selbsthaltenden Relaischaltungen)
• Inhibit (Stoppt das Netzteil)
• "Analog Charging Waveform Out 'Voltage' " (Zugang zu internem Spannungsteiler ohne Tiefpass, siehe unten)
• Sollwertvorgabe 0-8V (8V=maximale Ausgangsspannung) ToDo: Zusammenhang messen!
• Anschlüsse für Messinstrumente (Strom und Spannung)
• Interlock
• ...

Fürs Erste wurde ein minimales Steuerpanel gebaut, um das Netzteil testen zu können. Dies besteht aus Status LEDs, Poti zur Sollwertvorgabe, Abgriffe für die Messsignale und Schalter für Inhibit (dauerhaft an oder externes Signal (Pulldown = Aus))

Stromversorgung

Das Gerät stammt aus Amiland, dementsprechend ist es für 208V Drehstrom oder 230V einphasig ausgelegt. Das Problem ist, dass man die gesamte Leistung nicht so gut aus einer Phase ziehen kann. Also musste Drehstrom her, leider bekommen wir bei einer Vollweggleichrichtung keine 320V, also musste eine Dreipuls-Mittelpunktsgleichrichtung verwendet werden.

Ausserdem gab es noch eine improvisierte Einschaltstrombegrenzung aus drei 180Ohm Widerständen, die später von einem Schütz überbrückt werden. Dies muss bisher manuell erfolgen, aber später macht dies die Netzteilsteuerung.

Messungen

Nachdem sich das Netzteil nun über das Panel steuern lässt konnten auch ein paar Messungen gemacht werden. Dazu wurde unsere Kondensatorbank und ein Entladewiderstand angeklemmt. Ausserdem leisteten noch ein Multimeter (bis 1000V) und ein elektrostatisches Voltmeter (maximaler Anzeigewert 4kV) gute Dienste. Der erste Eindruck war beeindruckend: On-Taste gedrückt und die End-of-charge LED leuchtet!

Über den "Charging Waveform"-Ausgang wurde also ein Speicheroszilloskop angeschlossen und mal geschaut wie schnell es denn wirklich dauert. Wir waren überrascht: 14,8ms. Nach einer kleinen Messreihe kamen wir dann auf einen durchschnittliche Ladezeit von etwa 16ms. Wir haben also eine durchschnittliche Ladeleistung von 4,9kW. Dieser niedrigere Wert steht sicher im Zusammenhang mit unserer Mittelpunktsgleichrichtung. Ist aber mehr als ausreichend, wenn man die Pulsfrequenz von 20Hz bedenkt.

Zündeinheit

Der Testaufbau in der Übersicht.

Die Zündspannung, in unserem Fall über 10kV, wird nur kurz, zum Zünden der Lampe benötigt. Diese hohe Spannung wird seriell über einen Impulstransformator eingekoppelt. Sekundärseitig ist der Trafo mit dem Kondensator in Reihe an die Lampe angeschlossen. Primärseitig wird über einen Thyristor und einen Kondensator ein kurzer Strompuls in den Trafo geschickt, damit dieser sekundär eine hohe Spannung aufbaut. Diese Spannung addiert sich zur Ladespannung des Haupt-Kondensators und übersteigt damit die Zündspannung der Lampe, wodurch diese leitend wird.

Die Zündeinheit besteht aus einem Schaltnetzteil das aus 24VDC 500VDC generiert. Mit diesem Netzteil wird ein Kondensator aufgeladen, der mit Hilfe eines Thyristors in den Zündübertrager entladen werden kann. Die Zündeinheit wird von einem AVR gesteuert der folgende Aufgaben übernimmt:

• Steuerung des Schaltnetzteils und Abschaltung des selbigen bei Erreichen der Ladeschlussspannung (500V).
• Zündbereitschaft signalisieren
• Auslösen eines Zündpulses als Reaktion auf externes Triggersignal

Simmern

Unter Simmern bezeichnet man das Vorhandensein einer dauerhaft brennenden Entladung in der Blitzröhre, der Simmerentladung. Bei dem Zünden der Röhre kommt es immer zu einem Absputtern von Elektrodenmaterial. Dieses Material setzt sich dann auf dem Glaskolben ab und führt zu einer Verdunkelung der Röhre von innen. Durch diese Verdunkelung sinkt zum einen die Lichtausbeute der Blitzröhre und zum anderen steigt hierdurch die thermische Belastung der Glaswände stark an. Kurzum, die Lebensdauer sinkt. Wenn nun aber die Röhre nur einmal mit einer geringem Strombelastung gezündet wird und fortan ein konstanter Lichtbogen brennt kommt es zu einer viel geringeren Absputterung. Die Folge ist eine mehr als zehnfache Lebensdauer der Röhre. Um diese Entladung nach dem Zünden aufbauen zu können, benötigt das Simmernetzteil eine hohe Leerlaufspannung. So benötigten wir zum Zünden der Simmerentladung eine Spannung von mindestens 1kV. Brennt die Entladung ersteinmal sinkt der Spannungsbedarf stark ab (negativer Widerstand der Gasentladung). Bei einem Strom von 70mA wird zum Beispiel nur noch eine Spannung von etwa 200V benötigt. Um nun einen Stromimpuls zu erzeugen benötigen wir einen Schalter, welcher die Kondensatorbank abtrennt. Durch diesen muss bei jedem Laserpuls der gesamten Pulsstrom fließen. Dazu gibt es aber ein eigenes Kapitel.

Leider erwies sich das Simmern als alles andere als trivial, hier ein kleiner Abriss unserer Versuche:

Der erste Versuch war schon sehr abenteuerlich, die Leerlaufspannung wurde durch einen 230V/400V Trenntrafo mit einer anschließenden Spannungsverdopplung erzeugt und der Strom wurde über einen Vorwiderstand begrenzt. Obwohl dieser einfache Aufbau bereits funktionierte, war er alles andere als optimal, denn für die 14W Simmerleistung (200V 70mA) wurde die vierfache Leistung in dem Vorwiderstand verheizt.

Der zweite Versucht war ein induktiv strombegrenzter Royer-Wandler (ZVS mit großer Induktivität). Leider ließ sich diese Schaltung nicht dazu überreden seinen Strom weit genug zu senken. So kamen wir immer auf Kurzschlussströme im 200mA Bereich.

Der dritte Versuch lehnte sich an ein billiges HeNe-Lasernetzteil an. Denn bei diesen wird die Zündspannung durch eine Kaskade erzeugt und durch die entsprechende Dimensionierung der Kondensatoren wird der Ausgangsstrom begrenzt. Ein schneller Aufbau aus 4 Kondensatoren(20µF MP) und 8 Dioden(2x UF4007 in Reihe) brachte einen Simmerstrom von 230mA. Als nächstes werden wir die Kondensatoren schrittweise verkleinert und mit einer kapazitiven Strombegrenzung experimentiert. Leider haben sich die Kaskaden als ungeeignet erwiesen. Dies trifft auf die "normale" wie auch auf die frequenzgesteuerte Kaskade zu, es handelt sich also um eine Sackgasse.

Dank Tixiv haben wir seit dem 20.01.2011 ein umgebautes Schaltnetzteil, dass einen einstellbaren Konstantstrom zur Verfügung stellt. Dazu wurde der Trafo und der nachfolgende Sekundärteil des Netzteils komplett entfernt. Als Trafo wurde ein 1:10 Übertrager gewickelt, ein Gleichrichter gebaut, eine Mindestlast eingebaut und die Regelung angepasst. Dazu wird dem Fehlerverstärker über ein Poti die Referenzspannung und über einen Shunt der Simmerstrom zugeführt. Das Netzteil kann rechnerisch einen Strom von bis zu 333mA liefern. Die Leerlaufspannung ist über 2kV, muss aber dank des neugewickelten kleineren Trafos noch einmal neu gemessen weden. Für den Simmerbetrieb ist ein Mindeststrom von 47mA nötig, jedoch ist diese Entladung erst ab 100mA so stabil, dass sie nach dem Feuern des Laserpulses weiterhin brennt. Zusätzlich ist noch eine Drossel im Bereich von 400mH nötig um den Simmerstrom zu glätten.

Materialbearbeitung

Absorptionskoeffizienten (1-R) verschiedener Metalle

Fe...............0,35 Al...............0,10 Cu ..............0,06 (Quelle: Reinhard Iffländer, Festkörperlaser zur Materialbearbeitung, Springer Verlag)

Wie man sieht lässt sich Eisen relativ gut und Kupfer relativ schlecht bearbeiten, da die Laserstrahlung recht stark reflektiert wird. Das ganze deckt sich recht gut mit den experimentellen Ergebnissen, die wir bisher gewonnen haben. So ließ sich Eisen besser abtragen als Aluminium und Kupfer.

Videos

• Die ersten Versuche
  Ziele: Papier mit Tonerschicht, Platinen-Basismaterial, verschiedene Bleche und der legendäre tanzende Gleichrichter
• Neues Netzteil und mehr Versuche
  Ziele: IC, Vorhängeschloss, Metallprofil ausserhalb des Fokus
• Simmerbetrieb und 20Hz Pulsfrequenz
  Ziele: Holz, Bauteile, Tackernadeln, Keramikwiderstand