X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ВТОРАЯ ЖИЗНЬ DVD-ROM (ЛАЗЕРНЫЙ ГРАВЕР ИЗ DVD ПРИВОДОВ)
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Сложно в наше время найти человека, который никогда не слышал бы слова «лазер». Лазерное излучение обладает удивительными свойствами, ведь недаром писатели-фантасты очень любят писать о лазерном оружии, пушках и других чудесах лазера. Применение лазерного излучения в нашей жизни, приносит большую пользу всему человечеству, если, конечно же, применять его по уму и на благо науки.
Цель данной работы конструирование простейшего лазерного гравировщика на платформе ардуино.
Задачи:
изучить литературу о лазере,
подобрать материалы для изготовления приборов;
собрать простейший лазерный гравировщик;
получить навыки программирования ардуино;
применить прибор на практике
Актуальность данной темы обусловлена постоянным ростом темпа развития лазерных технологий и их внедрения в нашу жизнь, в том числе в повседневной жизни.
Описание проекта: основой идеей нашего проекта является нетрадиционное использование отработавших свой ресурс dvd-rom. Новые возможности их применения для создания сувениров.
Практическая значимость: собранное нами изделие мы можем применять для изготовления гардеробных номерков в школе, которые часто наши ученики теряют, а также для изготовления небольших сувениров для проведения школьных конкурсов и мероприятий.
Объект исследование: привод DVD ROM.
Предмет исследования: лазерный гравировщик.
Гипотеза исследования: Я предполагаю, что части привода DVD ROM можно использовать для конструирования гравировщика.
Методы исследования:
сбор информации;
изучение архитектуры привода DVD ROM;
выборка главных деталей для гравировщика;
опыт;
сравнение;
конструирование;
обобщение.
Часть 1. Знакомство с лазером
Альберт Эйнштейн еще 100 лет назад, а именно в 1917 году, предсказал появление лазеров, а в 1960 году американец Т. Мейман изготовил первый квантовый генератор оптических лучей, названный им лазером. Оно состоит из первых букв английской фразы: «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что означает: «Усиление света в результате вынужденного излучения». То есть лазер усиливает свет.
Лазер может слабый лучик света превратить в сильный, яркий луч. Он производит настолько сильные лучи, что, собравшись вместе, сфокусировавшись, они могут прожечь крохотные дырки в стальной пластине менее чем за секунду.
Сегодня, спустя 59 лет лазерному оборудованию находят очень широкое применение, практически повсеместно, причем число лазерных технологий и методик растет день ото дня.
Начиная от шоу-бизнеса и до серьезных научно-экспериментальных исследований, лазерная технология с каждым днем становится все более нужной и незаменимой, потому как лазерный луч нельзя заменить какой-либо другой технологией, так как другой такой технологии на сегодняшний день – просто не существует.
Если спросить любого человека о применении лазера, то он сможет назвать несколько лазеров, с которыми сталкиваемся практически ежедневно, это лазерные указки в школах, в офисах лазерные принтеры, считыватели штрих-кодов в супермаркетах, лазерные уровни при ремонте, проигрыватели CD и DVD дисков.
Лазеры широко применяются в медицине и косметологии: восстановление зрения, лечение кожи. Также находят применение для измерения времени, расстояния, температуры, скорости потоков жидкостей и газов. Ну и еще одно направление это использование в сувенирном производстве при лазерной гравировке.
Лазерная гравировка это очень интересный процесс. Нанесение рисунков на поверхность осуществляется не соприкасаясь с поверхностью, то есть бесконтактно, с помощью лазера. Луч лазера легко может наносить картинки на металл, камень, дерево, стекло, картон, акрил.
С помощью лазерного гравера можно:
создавать эксклюзивную сувенирную и рекламную продукцию;
наносить логотипы, надписи и рисунки на ручки, брелоки, чашки;
декорировать металлическую и стеклянную посуду, рамки, предметы быта;
производить наградные сертификаты, дипломы, медали, призы.
Часть II . Практическое выполнение проекта
Для изготовления лазерного гравера нам понадобятся:
2 старых привода DVD-romот компьютера;
Аппаратная платформа Arduino Uno;
Плата расширения для Arduino Uno CNCShieldv. 3.0;
ПК
корпус для Лазерного модуля;
Блок питания 12 v;
2 драйвера шаговых моторов A4988;
Лист оргстекла 5 мм;
Алюминиевый уголок 30х30 мм;
10)Провода; Болты, гайки, шайбы, пружины.
Кроме этого, необходим инструмент: отвертки, ключ на 8, дрель, паяльник, клеевой пистолет, ножовка по металлу, напильник, ручные тиски, мультиметр, угольник, карандаш, защитные очки.
С начала разбираем приводы DVD, из них нам необходимы только механизмы движения головок.
рис. 1
Получаем направляющие для рабочего стола и лазерного модуля гравера. Для ножек гравера будем использовать резиновые демпфера из привода. Обрезаем шлейфы, припаянные к шаговым двигателям кареток. С помощью мультиметра «прозваниваем» контакты шаговых моторов. В шаговом моторе две обмотки, вращающие двигатель в разных направлениях и, чтобы мотор работал, необходимо припаять провода правильно. Используем провода от фронтальной панели корпуса системного блока компьютера, так как собраны в контакты, что очень удобно при подключении моторов к плате. С помощью клеевого пистолета изолируем контакты мотора.
рис. 2
Размечаем и просверливаем отверстия в листе оргстекла по ножки, направляющую рабочего стола, прикручиваем ножки и направляющую. Из алюминиевого уголка делаем стойки для направляющей лазерного модуля. Выставляем по угольнику стойки и прикручиваем их к основе, затем прикручиваем направляющую.
рис. 3
рис. 4
Механическая часть готова.
Собираем аппаратную часть.
Наклеиваем радиаторы охлаждения на драйвера шаговых двигателей, ставим перемычки для деления шага двигателя, вставляем драйвера в CNCShield, а его – в аппаратную платформу ArduinoUno. Подсоединяем провода от шаговых двигателей к плате. С помощью мультиметра выставляем напряжение питания шаговых моторов.
рис. 5
Монтируем сборку на основание, лазерный гравер готов. Подключаем гравер к компьютеру, с помощью программы Arduinoпрошиваем в ArduinoUnoскетч GRBL 1.1. Для отправки изображений на гравер будем использовать программу Ардуино ЧПУ 2.0.4.
И так, наш станок готов, и мы можем его использовать.
рис. 6
Глава 3. Исследовательская часть
Типы лазера
таблица 1
|
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР |
твердотельный лазер, в котором в качестве рабочего вещества используется полупроводник. В таком лазере, в отличие от лазеров других типов (в том числе и других твердотельных), используются излучательные переходы не между локализованными уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешёнными энергетическими зонами или подзонами кристалла. В полупроводниковом лазере накачка осуществляется: непосредственно электрическим током (прямая накачка); электронным пучком; электромагнитным излучением. |
|
ЖИДКОСТНЫЙ ЛАЗЕР |
В твердых веществах можно создать большую концентрацию излучающих атомов и, значит, получить большую энергию с одного кубического сантиметра стержня. Но их трудно делать, они дороги и к тому же могут лопаться из-за перегрева во время работы. |
|
ЛАЗЕРЫ НА КРАСИТЕЛЯХ |
Лазеры на красителях обладают одной особенностью. Все лазеры излучают строго на одной длине волны. Это их свойство лежит в самой природе вынужденного излучения атомов, на котором основан весь лазерный эффект. В больших и тяжелых молекулах органических красителей вынужденное излучение возникает сразу в широкой полосе длин волн. Чтобы добиться от лазера на красителях монохроматичности, на пути луча становится светофильтр. |
|
ХИМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР и др. |
разновидность газовых лазеров, в которых источником энергии служат химические реакции между компонентами рабочей среды. Химические лазеры непрерывного действия могут достигать высокого уровня мощности и используются в промышленности для резки и создания отверстий. |
Изучив типы лазеров, пришли к выводу что для нашей работы нужен полупроводниковый лазер.
таблица 2
|
Отрасль |
Польза |
Вред |
|
Офисная техника |
+ |
|
|
Медицина, косметология |
+ |
+ |
|
Связь и передача данных |
+ |
|
|
Научные исследования |
+ |
|
|
Военные технологии |
+ |
+ |
|
Рекламные технологии |
+ |
|
|
Развлекательная индустрия |
+ |
|
|
Строительная отрасль |
+ |
Из данных таблицы можно сделать вывод, что технологии могут использоваться как на благо человечества, так и во вред. Однако пользы от использования лазерных технологий намного больше.
таблица 3
Сравнительный анализ стоимости
|
Название |
Технические хар-ки станка |
цена |
Где можно приобрести |
|
HTPOW Мини лазерный гравировальный станок для дома DIY 1000 mw |
Площадь гравирования 38*38 мм Размер 213*140*140 мм Вес 1.45 кг Материалы гравирования Деревянные изделия, бумаги, кожи, смола и т.д. Время гравирования деревянные изделия: 50-60 мс, кожи: 20-30 мс, бумаги: 6-10 мс |
11479 рублей |
http://www.htpowlaser.ru/lazernyi-gravirovalnyi-stanok/p-42.html |
|
Гравировальный станок Neje с лазером 300 мВт |
Максимальный размер гравировки составляет 38 x 38 мм Время беспрерывной работы устройства - до 60 минут Лазер не предназначен для нанесения гравировки на металлическую или керамическую поверхность |
9900 рублей |
http://top3dshop.ru/ |
|
Лазерный гравировальный станок/принтер 1000mW |
Рабочая область: 38 x 38 мм Размер: 16 x 14,5 x 20 см Использует: гравировку, ручные инструменты и промышленную обработку. Могут быть вырезанные предметы: красное дерево, бамбук, бумажные карточки, слоновая кость, кожа, и т. д. Нельзя выгравировать металл / алюминий / акрил. |
8801 рубль |
http://www.sign-in-russia.ru/products/29156/1000mw |
|
Лазерный граверовальный станок из dvd rom (сделанный своими руками) |
Площадь гравирования 38*38 мм Материалы гравирования фанера, мдф, картон, бумаги, кожа, пластик Размер: 16 x 14,5 x 20 см |
1 шт. Комплект для ЧПУ станка на базе Ардуино 820 2 шт. dvd rom - бесплатно 1 шт. драйвер для лазерного диода – 82 руб. Болты, гайки, обрезки оргстекла, алюминиевый уголок, корпус для лазерного диода – 100 руб Итого общая стоимость 1122 рубля |
Мы провели мониторинг цен в магазинах на готовые лазерные гравировщики, и сделав сравнительный анализ по стоимости готовых лазерных гравировщиков и гравировщика сделанного своими руками, схожих между собой по техническим характеристикам можно сделать вывод, что наш гравировщик, сделанный своими руками стоит дешевле в 8 раз меньше чем мы бы потратили, если бы купили готовый.
Стоит отметить, что сделать лазерный гравировщик своими руками гораздо дешевле и интересней, чем купить в магазине.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Прочитав и изучив специализированную литературу и другие источники, мы очень многое узнали о лазерных технологиях и то, что в современном мире лазерные технологии имеют весьма широкое применение, причем практически во всех сферах жизнедеятельности человека.
В ходе работы мы выполнили все поставленные цели и задачи, в результате чего у нас получился рабочий лазерный гравировщик из отработавших свой ресурс dvd-rom с рабочим полем 4х4 см.
В дальнейшем я планирую продолжить эту работу для того, чтобы увеличить рабочее поле нашего прибора и заменить лазерный модуль на более мощный, тем самым улучшить его функциональность.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Винницкий Ю.А. Skratch и Arduno для юных программистов и конструкторов / Ю.А. Винницкий, А.Т. Григорьев. – СПб.: БХВ-Петербург, 2018.- 176с.
Монк Саймон. Мейкерство. Arduno и RaspberryPi. Управление движением, светом и звуком: Пер. с анг.- СПб.: БХВ- Петербург, 2017.- 336с.
Применение лазеров в науке, технике и технологии / А.С.Проворов, А.Г.Сизых, А.В.Сорокин, Красноярск, Изд-во КГУ, 1988. 84 с.
Петин А.В. Проекты с использованием контроллера Arduino.: СПб.: БХВ-Петербург, 2019. 496 с.
15