Zastosowanie ploterów laserowych w modelarstwie

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.

 

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.

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.

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).

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.

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.