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Austausch Mainboard

Eine weitere regelmäßige Frage ist, ob es möglich ist, das Mainboard der Sculpfun Laser auszutauschen und was das für Vorteile bringt. Hier stelle ich ein paar Optionen vor. Grundsätzlich gibt es zwei Varianten / Generationen der Boards, zwischen denen unterschieden werden muss. Das Erste sind die „herkömmlichen“ Boards, die auf einem Arduino / ATmega Design beruhen. Diese Boards sind sehr ausgereift und existieren in vielen Variationen. Die grbl-Firmware wurde für diese Designs entworfen und perfektioniert. Die andere Variante sind 32Bit-Boards, in der Regel basierend auf ESP32 Mikrocontrollern, manchmal auch STM-Controllern. Diese Boards sind potenziell deutlich schneller und haben mehr Ressourcen, um Peripherie anzuschließen. Zusätzlich gehört oft WLAN mit zu den Features. Allerdings sind die Firmwares nicht so weit ausgereift und basieren meist intern auf dem gleichen grbl-Code aus der 8Bit-Variante. Daher sind aktuell keine neuen Features oder große Geschwindigkeitsverbesserungen zu erwarten.

Grundsätzlich kann man sagen, dass die Sculpfun Mainboards ein durchdachtes Design haben und vermutlich nur ausgetauscht werden müssen, wenn man ein ganz spezielles Feature (aktuell nur das Display am 32Bit-Board) benötigt oder das alte Mainboard kaputt ist. Ansonsten hat man durch andere Boards keine großen Vorteile, in manchen Fällen eher Nachteile (ungünstigere Anordnung der Steckplätze zum Beispiel).

Kann ich ein anderes Board in meinem Sculpfun-Laser einsetzen?

Die Antwort lautet: JA. So gut wie alle hier genannten und viele weitere Boards lassen sich problemlos am Sculpfun Laser anschließen. Am einfachsten sind die MKS-DLC sowie MKS-DLC32-Boards, da diese den gleichen Formfaktor haben und sich auch an den Rahmen schrauben lassen wir das originale Board. Die einzigen Voraussetzungen für einen Sculpfun Laser sind:

  • Anschluss für zwei Nema 17 Schrittmotoren (x- und y-Achse), 4-polig, JST-XH 2.54
  • Anschluss für 12V Lasermodul (Spannungsversorgung), 2-polig, JST-XH 2.54
  • Anschluss für PWM/TTL Signal für das Lasermodul, 1-polig, allerdings auf zweipoligem Stecker ausgeführt, JST-XH 2.54

Mehr Komponenten müssen nicht angeschlossen werden. Wer etwas flexibler sein möchte, sollte auch noch auf Anschlüsse für Endschalter, Relais und ggfs. Lüfter achten. An den Voraussetzungen lässt sich schon erkennen, dass man die Komponenten auch mit den meisten Mainboards aus dem 3D-Druck-Bereich betreiben lassen. Auch das ist problemlos möglich. Allerdings nach meiner aktuellen Erfahrung eher eine Nische, daher gehe ich darauf hier nicht weiter ein. Ich kann aber gerne entsprechende Abschnitte einfügen, wenn jemand seine Erfahrungen teilen möchte.

Übersicht Plattformen

8-Bit-Controller

Spezifikationen

ATMega328P Processor
– AVR CPU at up to 16 MHz
– 32KB Flash
– 2KB SRAM
– 1KB EEPROM
Peripherals
– 2x 8-bit Timer/Counter with a dedicated period register and compare channels
– 1x 16-bit Timer/Counter with a dedicated period register, input capture and compare channels
– 1x USART with fractional baud rate generator and start-of-frame detection
– 1x controller/peripheral Serial Peripheral Interface (SPI)
– 1x Dual mode controller/peripheral I2C
– 1x Analog Comparator (AC) with a scalable reference input
– Six PWM channels
Power
– 2.7-5.5 volts

Beispiele für Boards

Sculpfun S6/S9
MKS-DLC
Arduino UNO + CNC Shield v3

32-Bit-Controller

Spezifikationen

ESP32 Processor:
– CPU: Xtensa dual-core (or single-core) 32-bit LX6 microprocessor, operating at 160 or 240 MHz and performing at up to 600 DMIPS
– Ultra low power (ULP) co-processor
Memory: 320 KiB RAM, 448 KiB ROM
Wireless connectivity:
– Wi-Fi: 802.11 b/g/n
– Bluetooth: v4.2 BR/EDR and BLE
Peripheral interfaces:
– 34 × programmable GPIOs
– 12-bit SAR ADC up to 18 channels
– 2 × 8-bit DACs
– 10 × touch sensors (capacitive sensing GPIOs)
– 4 × SPI
– 2 × I²S interfaces
– 2 × I²C interfaces
– 3 × UART
– SD/SDIO/CE-ATA/MMC/eMMC host controller
– SDIO/SPI slave controller
– Ethernet MAC interface with dedicated DMA
– CAN bus 2.0
– Infrared remote controller (TX/RX, up to 8 channels)
– Motor PWM
– LED PWM (up to 16 channels)
– Hall effect sensor
– Ultra low power analog pre-amplifier

Beispiele für Boards

Sculpfun S10
MKS-DLC32

Firmware

Für die 8-Bit-Controller gibt es im Grunde genommen nur eine Firmware: grbl. Für die 32-Bit-Controller gibt es inzwischen mehrere Projekte, die die grbl-Firmware portiert und etwas Code drumherum entwickelt haben. Es gibt auch die Möglichkeit, die aus dem 3D-Druck bekannte Firmware Marlin zu benutzen.

[Wer noch eine weitere Firmware kennt oder hinzuzufügen hat, sagt mir gerne Bescheid!]

FluidNCObjektorientierter hierarchischer Entwurf
Hardware-Abstraktion für Maschinenfunktionen wie Spindeln, Motoren und Schrittschalttreiber
Erweiterbar – Das Hinzufügen neuer Funktionen ist sowohl für die Firmware als auch für G-Code-Sender viel einfacher. Open Source.
grblHALGRBL besteht aus zwei Teilen: einem, der den gesamten prozessorabhängigen Code enthält – eine Hardware-Abstraktionsschicht (HAL) – und einem, der dies nicht tut – den GRBL-Kern. Die HAL enthält Code, der den Prozessor initialisiert, über Timer, PWM-Hardware, Ports, Pin-Adressen, Kommunikation usw. Bescheid weiß. Der GRBL-Kern interagiert nur mit der HAL. Open Source.
MKS FirmwareDie Firmware gehört zum MKS DLC32 Motherboard-Kit, einem Offline-Gravur-Master-Steuerungskit, das für Desktop-Graviermaschinen entwickelt wurde. Die Hardware ist mit einem 32-Bit-Hochgeschwindigkeits-ESP32-Modul und integrierter WIFI-Funktion ausgestattet und steuert direkt einen 3,5-Zoll-Touch-Farbbildschirm; sie kann schnelle Gravuren und WEB-Webseiten realisieren. Closed Source. Update: Im Oktober 2022 wurde folgendes Repository veröffentlicht: https://github.com/makerbase-mks/MKS-DLC32-FIRMWARE. Dort schein der Quellcode nun doch offen zu sein.
Übersicht 32-Bit-Firmwares

Grundsätzlich kann man sagen, dass grbl auf allen 8-Bit-Plattformen (also Varianten des Ur-Aduino-Uno-Designs) lauffähig ist. FluidNC und die MKS-Firmware sind in der Regel auf allen Plattformen lauffähig, die auf einem ESP32 Chip basieren. grblHAL ist die vielseitigste Firmware und kann auf diversen Controllern (ESP32, STM32, SAMD21 uvm.) eingesetzt werden.

Anschließen von anderen Boards

In der Grundausstattung gibt es nur vier Stecker bzw. drei logische Verbindungen, die der S6/S9/S10 Laser benötigt. Zwei JST-XH 4-polige Steckverbinder für die Motoren der x- und y-Achse. Das Laser-Modul wird auf dem Original-Board mit zwei Steckern verbunden, einem zweipoligen JST-XH Stecker für die Spannung des Lasermoduls und einem zweipoligen JST-XH Stecker (bei dem nur ein Pin belegt ist) für das PWM-Signal des Lasermoduls. Die Motor-Stecker sind eigentlich auf jedem Board identisch und können direkt angeschlossen werden. Wenn die Achsen hinterher verdreht sind, kann das in der Firmware durch eine kleine Einstellung korrigiert werden. Beim Lasermodul gibt es manchmal Unterschiede, da manche Boards einen dreipoligen Anschluss bieten. Hier muss der Stecker geändert oder das Kabel getauscht werden.

Schrittmotor-Treiber

Bevor es zu den Mainboards geht, hier noch ein kurzer Ausflug zu Schrittmotor-Treibern. Eine schöne Erklärung, was das ist und warum sie nötig sind, ist hier: https://learn.adafruit.com/all-about-stepper-motors. Im Gegensatz zu den Sculpfun-Mainboards sind bei vielen anderen Boards (insbesondere den hier vorgestellten MKS Boards) die Treiberbausteine für die Schrittmotoren nicht auf der Platine aufgelötet, sondern müssen nachgerüstet werden. Das hat den Vorteil, dass man hier zwischen verschiedenen Treibern mit unterschiedlichen Vor- und Nachteilen wählen kann. Man muss aber eben auch beachten, dass man diese Treiber mitbestellt, ansonsten ist das Board nicht zu gebrauchen.

Eine Übersicht über verschiedene Typen von Schrittmotor-Treibern ist hier: https://all3dp.com/2/best-stepper-motor-driver/. Die bekanntesten Treiber sind A4988 (in der Regel die günstigste Variante), DRV8825 (ähnlich zum A4988) und die Familie der TMC Treiber. Dort sind unter anderem die TMC2208 und 2209 populär, inzwischen aber auch von neueren Modellen abgelöst worden. Die Vorteile von TMC Treibern sind, dass die Motoren wesentlich leiser sind, durch eine verbesserte Sinuskurve in der Ansteuerung. Zusätzlich können manche Modelle den Motorstrom messen und so ohne Endschalter erkennen, ob der Rand des Arbeitsbereichs erreicht wurde (Sensorless Homing). Da aus meiner Sicht die Lautstärke bei den Lasergravierern kaum eine Rolle spielt (da der Laser-Lüfter um ein Vielfaches lauter ist) und die Funktion des Sensorless Homing noch kaum unterstützt wird, spricht aus meiner Sicht nichts dagegen, die günstigsten A4988-Treiber zu nutzen. TMC Treiber sind meiner Meinung nach hier übertrieben. Wer sie dennoch gerne einsetzen will, kann das machen, ich denke auch, dass die Unterstützung für deren Features in Zukunft noch verbessert wird.

Beispiel A4988 Schrittmotortreiber

MKS-DLC (8 Bit)

Da die technischen Daten und Layouts der MKS Boards open source verfügbar sind, basieren viele weitere Boards auf diesen Designs (unter anderem auch die Sculpfun Boards). Vorteil dieser Boards ist die große Anzahl an Anschlüssen und ein insgesamt gelungenes elektrisches Design. Es gibt ebenfalls von MKS passende Displays, mit denen man den Laser sogar offline betreiben kann.

Der Umbau ist sehr einfach. Das Board ist sowohl von den Befestigungslöchern als auch den Anschlüssen identisch zum Sculpfun Mainboard der S6 und S9 Laser.

Links: Sculpfun Mainboard, rechts: MKS DLC Mainboard

Im folgenden Bild ist das MKS Board angeschlossen. Beachte: für den X- und Y-Motor ist jeweils ein (in diesem Fall A4988) Schrittmotor-Treiber eingesetzt. Sonst würden sich die Motoren nicht drehen! Das MKS Mainboard kann mit 12 oder 24 Volt Spannung betrieben werden. Da die Lasermodule von Sculpfun nur 12V vertragen, darf die 24V Spannung nicht verwendet werden!

Firmware

Als Firmware nutzt das MKS Board die Standard-Firmware grbl, ich empfehle meine Version mit optimierten Parametern für die Sculpfun-Laser, siehe Artikel Update der Firmware.

MKS- DLC mit Display

Das MKS-DLC Mainboard bietet einen AUX-Anschluss, an dem ein Bildschirm vom Typ MKS-TFT24 angeschlossen werden kann. Dieser Bildschirm wird allerdings nicht vom Mainboard angesteuert, sondern stellt einen eigenen Steuerrechner dar, der das Mainboard per serieller Schnittstelle anspricht. Man kann Gcode-Dateien auf die SD-Karte des Bildschirmes speichern und von dort aus ohne angeschlossenen Rechner lasern lassen. Allerdings geht nur entweder Bildschirm oder Rechner, da beides die gleiche Schnittstelle benutzt. Siehe auch Artikel zu Remote-Nutzung des Lasers.

MKS-DLC32

Das MKS-DLC32 nutzt den ESP32 Mikrocontroller für die Steuerung des Lasers. Die Vorteile wurden oben bereits genannt. Aktuell ist ein Nachteil noch die eher geringe Open-Source Firmware-Unterstützung, was sich in der nächsten Zeit vermutlich deutlich verbessern wird. Im Gegensatz zum 8-Bit-Board ist hier das Layout der beiden Boards etwas unterschiedlich, bietet aber trotzdem alle nötigen Funktionen. Das Sculpfun Board ist vom Layout an die 8Bit-Boards angepasst und kann daher noch einfacher alte Boards ersetzen. Das MKS-Board hat einen anderen Anschluss für den Laser und daher müssen die Kabel (leicht) angepasst werden.

Links: Sculpfun S10 Mainboard, rechts: MKS-DLC32

Anschlüsse

Die Stecker für die Motoren passen bei diesem Board wie üblich direkt. Allerdings passen die Stecker für das Lasermodul nicht mehr komplett. Die Spannungsversorgung des Moduls kann aus drei Ports entnommen werden, das Lasersignal liegt auf einem Pin. Auch hier gilt wieder: Es müssen Schrittmotor-Treiber verbaut werden, ansonsten bewegen sich die Motoren nicht! Das MKS Board kann mit 12 oder 24V betrieben werden, da die Spannung aber an das Lasermodul durchgereicht wird, dürfen Sculpfun-Laser nur mit 12 Volt betrieben werden!

Übersicht vorhandene Anschlüsse

Ich habe zwei Set-ups getestet, sowohl alle Signale aus dem dafür vorgesehenen Port zu nutzen, als auch den 12V-Stecker beizubehalten und nur das Signal aus der TTL-Buchse zu holen. Beides geht. Das kann man nach Belieben machen, je nachdem, ob man eine saubere Lösung oder etwas mehr Gebastel haben will.

Firmware

Da die beiden Boards grundsätzlich kompatibel sind, kann auch die Firmware grundsätzlich ausgetauscht werden [Ich konnte allerdings noch nicht alle Details austesten, ob es vielleicht doch noch Inkompatibilitäten gibt]. Die Sculpfun-Firmware lässt sich auf das DLC32-Board flashen und umgekehrt. Das DLC32 bietet allerdings noch die Möglichkeit, ein Display anzuschließen, was nur mit der originalen Firmware funktioniert. Die Firmwares emulieren das grbl-Protokoll und lassen sich daher mit gängiger Software wie LaserGRBL und LightBurn ansteuern. Falls eine Einstellung getroffen werden muss, sollte “grbl” als Typ für den Laser/Firmware gewählt werden.

Sculpfun Firmware

Die Firmware für den Sculpfun S10 lässt sich ohne Weiteres auf das DLC32 Board aufspielen. Beschrieben ist das im Kapitel Firmware-Update. Damit läuft das Board und die Einstellungen sind entsprechend der Sculpfun Vorgaben gemacht.

MKS Firmware (+ Display)

Die MKS Firmware ist natürlich noch besser auf das Board angepasst. Unter anderem kann man damit das Touchdisplay Modul nutzen sowie ein Webinterface. Herunterladen kann man die Firmware hier: https://github.com/makerbase-mks/MKS-DLC32/tree/main/firmware. Flashen kann man sie ebenfalls mit dem Tool für das Sculpfun Board, wie hier beschrieben: Firmware-Update. Achtung: es gibt ein 2,4-Zoll und ein 3,5-Zoll Display. Hier ist eine unterschiedliche Firmware erforderlich! Zum Zeitpunkt des Erstellens des Artikels gab es für das 2,4″-Display die Version 2.08 und für das 3,5″-Display die Version 2.10. Die scheint also etwas aktiver weiterentwickelt zu werden. Die Menüs und die Menüführung unterscheiden sich auch stark voneinander. Hier sind ein paar Bilder vom Display und dem Webinterface:

Ein passendes Gehäuse für MKS Board und TS35 Display gibt es hier von “Deemoss”: https://www.thingiverse.com/thing:5711454

FluidNC

Die FluidNC Firmware kann hier heruntergeladen werden: https://github.com/bdring/FluidNC. Für den S9 habe ich auch eine funktionierende Konfiguration erstellt: FluidNC_SculpfunS9. Die sollte auch mit dem S10 funktionieren, habe ich aber noch nicht getestet. Die Installation funktioniert mit einem Script, das im Installationsarchiv beiliegt. Man benötigt das MKS Tool wie bei den oben genannten Varianten nicht. Es wird wohl an einer Display-Unterstützung gearbeitet, aktuell gibt es die noch nicht. Die Steuerung erfolgt über das Webinterface (oder LaserGRBL/LightBurn etc.).

Da die MKS Firmware aktuell closed-source ist, denke ich, dass FluidNC das größte Potenzial hat, Nachfolger von grbl für die 8Bit-Boards zu werden.