CNCのカッティングプロッター化について

CNCはそれなりに設置場所を占有しますから、もし切削以外の加工も兼ねられるのであればある意味省スペースになりますし、その分創作の可能性も広がろうかと思います。

以前テーブルベットタイプのカッティングプロッターを使ったことがあって、カット圧が強く、厚めの素材もカットできてとても有用だったので、自分のCNCのエンドミルをカッター刃に付け替えて簡単な切り出し程度に使えないか試してみることにしました。

今回結論から先に言うと一応切れるようにはなったのですが、未だに試行錯誤が続いていまして、とりあえず現段階までの自分なりの手順やこれまで気付いた点などまとめてみます。

■ドラッグナイフについて

まず初めにカッティングプロッター用の刃はドラッグナイフ(DragKnie)と呼ばれているようで、検索するといくつか動画(主に海外発)を見ることができます。

そのドラッグナイフには主に二つのタイプがあって、一つはビニールカッター(Vinyl Cutter)とよばれる紙やフィルム、カッティングシートのような薄物を切るピン(の先に刃が付く)タイプと、もう一つは大きな刃がついて段ボールなどの厚いものを切るブレードタイプに分かれているようです。

そして共に刃先が軸芯からオフセットされ(ズレ)て取り付けられているため、これによりツールパスの進行方向に合わせて刃先が追随する仕組みとなっています。

またそれらと異なり、オフセットが無く、軸芯と刃先が一致して動くタイプもあるようですが、このタイプは切断方向に合わせて刃の向きをモーター制御する高度な仕組みのようなので今回は製作対象から外しました。
(たぶん以前使ったカッティングプロッターはこのタイプ?)

さて動画で見ると簡単そうに見えるドラッグナイフによるカッティングですが、よく観察すると刃の押し圧加減やツールパスなど、カットする素材の厚さ・硬さに合わせていろいろと調整する必要がありそうなことに気付きます。

そこでとりあえず初めは段ボールをカットすることを想定し、一つ一つ課題をこなしていくこととしました。
(Amazonの段ボール板が捨てずに数枚残っていたので)

まず段ボールを切るのであれば、切れ味が下がったら頻繁に刃先が交換できるカッターの刃を使うのがコスパの面でも良さそうと考え、より厚物が切れそうな30°刃カッター替刃を使ってブレードタイプのドラッグナイフを作ることにします。

ドラッグナイフ3D図

軸芯は6mmエンドミルを逆さに使い、これを2個のベアリングでブレないように支持させ、軸端にマグネットを埋め込んで脱落防止。

微調整が必要なものに対してはバネを仕込むことである程度対処し、もしこれでうまく運用できない場合は徐々に改造していくことにして、オフセットはまずは1mmに設定。

刃先がブレないようできるだけ取付穴をジャストサイズで設計し、ビスでしっかり固定できる構造とした。

ドラッグナイフ分解パーツ

1作目は軸芯に対する回転精度が悪く、刃先がうまくツールパスに追随できなかったので、2作目ではベアリングをしっかり固定できる構造に改良。
さらに刃が回転しやすいようオフセットは1mmから2mmに。
これによりブレずに刃先がスムースに回転できるようなりました。

■カッティングパス(カッティング用のツールパス)について

ドラッグナイフに調整用バネを仕込んだこともあり、テーブル面以下に刃が深く入ることはないと思うので、今回はテーブル面をZ軸加工原点とし、そこからの加工深さを1.0mmとしてカッティングパスを設定してみます。
これはテーブルに固定した段ボールが切り残らないように、刃の押し圧を強めにカットしていくイメージとなります。

カッティングラインに角の部分が無く、直線が曲線でつながっている場合は切削用Gコードをそのまカッティングパスとして使えるので労せずに切れます。

円を切ってみた

ドラッグナイフの向きが進行方向を向いてないと始めに刃が引っかかってカット不良となるため、カットし始める方向にドラッグナイフの向きを予め合わせておく必要があります。

また曲線の曲率が小さすぎる部分はオフセット分だけ刃の動きがズレるので、カッティングパスに沿って正確に切れないこともあります。

角丸四角形を切ってみた

そしてカッティングラインに角の部分がある場合についてですが、角頂点でドラッグナイフの向きを急に変える必要があるため、別途カッティングパスを最適化する必要があります。

そこで今回はオリジナルのドラッグナイフを販売しているDonek Toolsのサイト(donektools.com)より公開されているG-Code Swivel Programを使ってみることにします。

G-Code Swivel Program
(ウェブページ中段の「Add Corner Actions to your Tool Path」よりダウンロード可)

このプログラムはExcel上で動くのですが、設定値に合わせてGコードをドラッグナイフ加工用に最適化します。
つまりドラッグナイフを角頂点より少しだけ通過させた後に、刃先を少し持ち上げて次の進行方向に刃の向きを旋回(swivel)させる動きを書き足してくれます。

以下に簡単に手順を説明しますが、他にもっと適切な方法はあるかと思いますので参考程度に。

1・まず初めに目的の加工(正方形カット)に対してCAM(VCarve)から仮のエンドミルデータを使ってGコードを一旦書き出します。

2・次にgcode swivel_vj.xlsを立ち上げ、設定画面の「Blade offset」欄を今回のオフセット値2mmに書き直し(0.065→2)、「Swivel Height」欄もドラッグナイフを旋回させる時の退避高さを想定した値に書き換えます(0.055→1)。
(今回想定して書き換えた数値は自分がなんとなく決めただけなので、今後さらに条件を考察して修正していく必要があると思います。)

G-Code Swivel Program設定画面

「Add Corner Actions to a File」ボタンを押して先ほど作ったGコードファイルを指定した後、適正化後のデータ名を新たに決めると適正化したカッティングパスを書き出してくれます。

3・カッティングパスの最適化前後の軌跡をNC Viewerのサイト(ncviewer.com)で見比べて確認してみます。
「Open File」からファイルを選択するとカッティングパスがプレビュー表示されます。

適正化前のカッティングパス 正方形

適正化後のカッティングパス 角頂点で旋回

角頂点でZ軸が少し上がった後に次の進行方向に旋回するパスになっていますね。

適正化後のカッティングパス 旋回部(swivel)拡大

軸芯の動きに刃先が追随するのを助けるために刃先を少しだけ段ボール内に残すよう配慮しています。
(刃先を段ボール表面より上に抜いてしまうと空転してしまうため)

■カッティング

実際に加工してみます。
(当然ですがルーターの電源はOFFにしてルーターは回転させす、ドラッグナイフ自身の回転のみに委ねます)

ドラッグナイフが角頂点で旋回する様子がわかるでしょうか。

正方形を切ってみた

動画ではわかりにくいですが旋回する直前にZ軸が少し持ち上がって刃の旋回を助けています。

ただし現状のカッティングパスでは最後の部分が少し切り残されるので、加工前にさらに修正したほうが良いでしょう。

■今後の課題点:

カッター刃の出が5mmぐらいなので3mm厚の段ボールぐらいまでは切れると思いますが、さらに固くより切りにくい場合の対処が今後の課題。

ℤ軸の加工原点設定が難しい、というかいろいろな要件(カッター刃の切れ味とか)に加減が左右されるので、いずれはドラッグナイフ側でも調整ダイアルとか付けられればと考えています。

紙の剛性やカットラインの複雑さ次第で切り易さがかなり変わる(薄く柔らかいとヨレて詰まり易い)のでいずれバキュームテーブルを作る予定。
そうなればクランプやマステ貼りなどの固定作業も軽減できるし、固定跡などの表面損傷等を気にしなくても良くなるはずです。

ピンタイプのドラッグナイフ(ビニールカッター)での加工にもいずれ対処できるようにしたい。
(ロゴマーク製作などでよく使われるカッティングシートは塩ビ系素材のためレーザー加工できず、カッティングプロッターでの加工に限られるため。)

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■ビニールカッター(Vinyl Cutter)

前回検索したドラッグナイフの動画をその後改めて見直すと、ピンタイプのドラッグナイフ(ビニールカッター)を使って薄物をカットする時にカッティングパスを適正化(角頂点で旋回化パスを追加)するシーンがあまり無い点に気づきます。

もしかしたら面倒な適正化作業をしなくてもピンタイプは軽量?な為、 角頂点でも刃先が勝手に旋回(swivel)して、切削用ツールパスのままでなんとなく切れてしまっているのかもしれません。

ビニールカッターは探すと替え刃15本付きのセットで600円ぐらいで買えそうだったので、早速発注して試してみることに。

届いたのがこれ。

先端に穴が開いていて、ここに付属の刃のついた(オフセット0.25mm)ピンを差して使います。
刃の出入りは調整可能で、具合の良いところで真鍮リングを締めて固定。
つまみ棒を押すとピンが取り出せて簡単に交換できる仕組みとなっています。
(この値段で結構よくできている印象)

さてこれをどうやってCNCに取り付けるかですが、ルータのコレットナットを外して見てみるとサイズ的にビニールカッターを直接固定できそうです。
そこでルータのねじ山に合わせてコネクターを作ることにしました。

ビニールカッターコネクター3D図

前回と同様にバネで押し圧をかけながらカットできるよう工夫してとりあえずプロトタイプが完成したので早速実装してみます。
(コネクターに内蔵したバネの許容可動域は約2.5mm)

■カッティング

今回は薄物カットということで、できればカッティングシートを切りたかったのですが手元に無かった為、代わりに黒画用紙(厚0.2mm)を切ってみることにします。

まずは前回同様Z軸加工原点をテーブル面(カッティングマット面)に、加工深さを1mmにして四角形ツールパスをCAMから書き出し、そのまま(適正化しないで)切ってみます。

四角形カット(適正化無し)

あっさり綺麗に切れました。
角頂点もなぜか綺麗に直角に切れていて、ちょっと拍子抜け。

続いて星形のツールパスで検証します。

星形カッティングパス(適正化無し)

適正化無しの鋭角と鈍角が連続する角頂点でどれだけ刃が追随するか実際切ってみます。

星形カット01(適正化無し)

途中の鋭角頂点で刃が引っかかり切り詰まりました。

先ほどの四角形カット時と異なり、鋭角(<90度)の角頂点がある場合は刃は意図的に旋回させたほうが良さそうです。

そこで今度はツールパスを適正化して再検証してみます。

まずgcode swivel_vj.xlsの設定画面でBlade offsetを0.25に、Swivel Heightを1に書き直してツールパスを適正化。

ここで問題が。

適正化後のデータ中身を見てみると、なぜかF値が指定されていなことに気が付きます。

星形カッティングパス(適正化有り)F値追加

このままだとCNCが動き出したとたん止まってしまうので、送り速度(F=300)を書き足して改めて検証します。

星形カット02(適正化有り)

また鋭角(<90度)頂点で刃が引っかかり切り詰まりました。

角頂点ごとにZ軸は浮き上がるのですが、刃が十分に旋回できなかったようです。

そこで今度はZ軸加工原点を0.5mm上げることで実質、旋回時の刃のZ軸退避高さを高くしてみます。
(再適正化したツールパスを作り直してもよかったのですが面倒だったので同様の加工になるよう代替え処理しました)

自分のイメージでは画用紙の中央部が若干テーブル面より浮き上がるので、その分を入れつつも刃先は完全に画用紙から抜けきらない絶妙な寸法(0.5mm)を設定して再検証。

星形カット03(適正化有り)&Z軸加工原点+0.5mm

今回はとりあえずうまく切れましたが、途中でカット圧で画用紙が浮き上がり気味でしたので偶然切れた感は正直否めないです。

うまく切れない時は刃の出方で調整するよりも、Z軸加工原点を再設定したほうがコンマ数ミリで調整できるので効率的かとは思いますが、まだ多少の設定調整は必要かもしれません。

検索したドラッグナイフ動画でカッティングパスを適正化するシーンがあまり無かったと感じたのは、たぶんカッティングシートのような2層断面のものを切っていたせいかもしれません。
(表層だけがカットされ下層は切り残りテーブルにしっかり固定されるので、刃先が勝手に旋回してツールパスに追随しやすかったのかも)
いずれ機会があればカッティングシートを使って再検証してみたいと思います。

薄物をカットする時は切ったところから解放されていくので、マステで固定するよりバキュームテーブルでテーブル面と吸着固定するほうが理想的だと思いました。

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こんにちは

レーザーと違い危険度も小さく追加の配線も不要ですし、紙をカットするだけなら十分使えますね!
多少加工パラメータの調整は必要そうですが、他の加工も似たようなものですし問題なさそう :ok_hand:

もしカッティングシートで検証したら、また報告してください!楽しみにしています

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こんばんは、
型紙や皮革のサンプル品のカットとかでCNCがうまいこと使えないものかと考えてて、海外のYoutubeでドラッグナイフ(DragKnife)やタンジェンシャルナイフ(TangentialKnife)、さらに刃先が振動するやつ(OscillatingKnife)など調べていたところだったのでこちらすごく参考になります!

ドラッグナイフ自体は以前Thingiverceで公開されてたデータでそれっぽいのを作った(ここでsheepmanさんがアップされてるもののほうがいい感じですね)ものの、GRBLPlotterというソフトの使い方がいまいち理解できてなくて、GCODE作るところで行き詰ってました。G-Code Swivel 使ってみようと思います!

もともとカットが必要な時はBrotherのスキャンカットSDXというカッティングマシンを使っているのですが、革をカットする場合、このマシンがのが0.5ミリずつ(もしくは1ミリずつ)深くしてカットする仕様なのと、そこまでXY軸にパワーがない感じ(本来ステッカーとかを切る機械なので当然なんですが・・)なのと、機械の形状的に3ミリ厚までしかカットできないので、使いやすい一般的な革は問題ないものの、固めの革や弾力のある革や厚めのものだとうまくいかないことが多かったのです。

CNCで割と自由にカッティング設定ができるとなったらゆっくり&少しずつ切込などで固めの革とかも攻略できるのではないかと考えた次第なのです。(今は主に真鍮の切削で剛性強化版を使ってるんですが、うまくいったらでっかい革カットするのにARTCNCほしいなぁなんてことも考えていたりしてました。)

ちなみに、カッティングマシン使ってる際の経験になるのですが、カット途中で対象(紙とか)が浮いてしまうのは、周囲のマスキングテープに加え、スリーエムのスプレーのり55というのを『薄く』かけておくと、微妙な粘着力がはたらいて絶妙にはがれにくくなります。薄くというのが肝心で、濃くかけてしまうと紙の場合はがれなくなることがあります。(革の場合は反ってるものとかもあるので結構がっつりかけます。)既にご存知でしたらすみません。

※といいつつ、バキュームテーブルは憧れますねw

◆スプレーのり55

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reboltsさんが革加工に試行錯誤されている話はとても興味深いですね。

自分はカッティングプロッターで革を加工するイメージは無かったですが、もしやるとしたら超音波カッターを使ったソリューションを考えたかもしれません。
切断面が焦げてもよければ高出力CO2レーザーでスパッと切ってしまうのが手っ取り早いとは思いますが。

gcode swivel_vjは未だ設定とかよくわからず適当に使っていますが、革は紙よりかなり難しい素材だと思いますので、もし適切な設定とかが見つかったら是非また御紹介ください。

ちなみにスプレーのリは今回の検証では使いませんでしたが、綺麗にはがすときはいつもミツワのソルベントをぶっかけて使ってます。

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■バキュームテーブル

ドラッグナイフの運用やカッティングパスの適正化を改善していく上で、様々なカッティングテストを効率良く進める必要があり、バキュームテーブルの装備が不可欠と感じます。

バキュームテーブルとはテーブル面に開いたたくさんの細かい孔からワークを吸引して固定する装備で、バイスや両面テープでワークを固定する必要が無くなるので作業性の飛躍的向上が期待できます。
特にカッティングプロッターでは、薄いワークや切り抜き後の固定など、粘着系の固定に頼る必要が無くなる為、ワークを損傷させる恐れもなくなります。

今回の構想において、まずバキュームテーブルを少しでも導入しやすいよう、予めZ軸のワークエリアを(20mm)高くする改造が施してあります。

というわけでバキュームテーブルを自作するわけですが、私のCNC(剛性強化版:Z軸250mm)で運用するための要項を今一度整理してみます。

・吸引は掃除機を使用し、集塵ブラシから付け替えたホースを接続し吸引する。
・Z軸ワークエリアにあまり余裕が無いので、できるだけ薄い断面の構造とする。
・テーブルが前後に動く門型構造のCNCなので、接続した吸引ホースがフレームや防音箱内壁に衝突しないよう配慮する。

以上の点を踏まえ、高気密な構造を作りやすい透明アクリル板を使って、まずは各パーツをCNCで切り出し。

切削加工した断面は垂直に隙間なく接着できるため、気密性と、カット圧や吸引圧にも耐えられる強度を得ることができます。

多孔パネルは劣化したら交換できる非接着構造なので、ワークに合わせて吸引率の異なるパネルへの交換も可能。
孔の径・パターンを変えると吸引力はさらに調整できるので、使い方次第で切削用にも転用できるかもしれません。

テーブル内の十字束柱でパネルの孔が塞がらないよう配慮して孔パターンを配列。

バキュームテーブル側面に吸引ホースを接続するための吸引アタッチメントを製作。

吸引アタッチメントCG 図

ボトルネックががおこらないよう、吸引経路のどの位置でもできるだけ同じ断面積となるよう配慮。

コピー用紙で吸引テストしましたが掃除機を全開にしなくてもかなり強力に吸引します。

バキュームテーブル 吸引テスト

カット圧にあわせて吸引力を随時掃除機側(電圧調整器)でコントロール。

前回失敗した「星形カット01(適正化無し)」の切削用ツールパス(適正化無し)で黒画用紙をカットしてみます。
(今回はテーブル面が前回より固くなったので、Z軸加工原点をテーブル面+0.3mmに変更)

ビニールカッター・星形カット04(適正化無し)検証

驚くほどあっさり綺麗に切れました。

テーブル面に隙間なく吸着するせいなのか、刃が勝手に角頂点でも旋回してくれるようです。
(切削用ツールパスのままカットしているので頂点でのZ軸上下動は無し)

■カッティングシートで検証

さて別途カッティングシートの準備ができたので早速テストしてみます。

吸引力をカッティングシートに集中させるため、他の孔はコピー用紙で塞ぎます。

ビニールカッター・カッティングシート検証 ロゴマーク(適正化無し)Z軸加工原点:テーブル面+0.9mm 加工深さ:1.0mm

カッティングシートも切削用ツールパスのままで問題なく切れました。

ロゴマークのような細かいラインで構成されたものでも問題なく刃は旋回し表層だけ綺麗にカットしました。

バキュームテーブルのおかげでビニールカッターがさらに気軽に使える道具になった気がします。

以上、CNCのカッティングプロッター化に対して自分なりに実用性を感じられたので、今後もいろいろと試行錯誤は続くと思いますが、考察はこれにて終了したいと思います。

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