レーザー加工機用のコンパクトな集塵機(+消臭)を自作してみる

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先日、クラウドファンディングで購入した「xTool M1」が届いたので、早速MDF板にレーザー彫刻をしてみました。

換気の悪い部屋で使用したってこともあるのですが、加工時に発生する煙と臭いでちょっとした火事かなと思うくらい大変なことになりました。

で、こうした問題を解決するためにレーザー加工機専用の集塵機(煙と臭いを吸い取って奇麗にする機械)が、純正を含めて各社から発売しております。

しかし、安いものでも価格が10万円近くもし、集塵機で使用する専用のフィルターも消耗品で、交換するだけでも数万円かかってしまいます。。それに集塵機自体が大きく設置場所にも困ります。

ちょっとした趣味で使用するレベルでこの金額を出すのは中々厳しいと思う方も多いと思います。

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集塵機を使わずに直接、窓から外に直接排出すること考えましたが、さすがに近所迷惑になるレベルですので、この案も難しいと思い、頭を悩ましていました。

それなら作っちゃえばいいじゃん!と思ったのが今回の記事になります。

※今回自作する集塵機は、外に排気しても近所迷惑にならない程度に浄化できることを目的にします。

ってことで各社の集塵機を調べると、レーザー加工機から発生する排気をファンで吸引し、下記の3種類のフィルターを通して空気を浄化していることがわかります。

1層目が、大きなホコリやゴミなどキャッチする目の粗いフィルター
2層目が、微粒子などの有害物質をキャッチするHEPAフィルター
3層目が、臭いなどをキャッチする消臭用の活性炭フィルター

つまり、家庭用の空気清浄機と原理は同じです。(もちろんより特殊なフィルターや特殊な装置なども使っているものもあると思います。)

これであれば、家庭用の空気清浄機の交換用フィルターを使用して作れれば、フィルター交換時のコストも抑えられるかと思います。

で、手持ちの3Dプリンターで作成できるサイズで、市販品でちょうど良い大きさの交換用フィルターを探したところ、ちょうどよさそうな「Levoit 空気清浄機 交換用フィルター」ものを見つけたので、これをベースに考えていこうと思います。

LV-H128‐RF

1箱に2個入っていて、1つのカートリッジで、上記3種類のフィルターが内蔵されている一体型になります。

フィルターカートリッジのサイズは、16.6 x 11.5 x 3 cm(公式値)になります。

ただ、専用の集塵機に内蔵されているフィルターは、サイズも大きく浄化できる容量も大きいのですが、今回採用するフィルターは小型のため、フィルターを複数使用して浄化できる容量をアップする作戦です。

また、フィルターは上記で確定なのですが、いかんせん内蔵されている消臭用の活性炭フィルター(上記写真左側)が薄くてスカスカなので、複数重ねても消臭効果は期待できなさそうです。

この部分を解決するために後述する専用の活性炭フィルターカートリッジも併せて作成しようと思います。

ってことで、まずは集塵機ケースをCADで設計していきます。

集塵機の全体像

左側の黄色いパーツは吸気ダクトで、レーザー加工機からの排気ダクトホースを接続します。

上部のカバーを外したところ

イメージ図の赤い部品は、排気用の120mmのファンを取り付けることを想定しています。

吸気ファンを増設

また、吸気ダクトを取り外し可能にして、排気ファンだけでは風力不足の場合は、吸気ダクト側にも吸気用の120mmファンと取り付けられるようにしています。

フィルター搭載イメージ

ちなみにフィルターのカートリッジを最大7個搭載できるようにしていますが、さすがに7個も搭載すると、空気の通りが悪くなるので、せいぜい4個程度にするか、吸排気のファン能力を高める必要がありそうです。

で、吸気ファンについては、Amazonで家庭用コンセントに直接接続できる強力な120mmファンを見つけたのでこちらを使用します。

購入した吸気ファン

ダイアルが付いていて、ファンの回転数を変更できます。ファンの回転数は、最大4500rpmと強力です。(強力な反面、音も強力です。。)

で、必要な部品は全てそろったので、3Dプリンターでセッセと残りのプリントパーツを印刷していきます。

このパーツだけでも、印刷に丸1日かかりました。

印刷したパーツ類など

何とか印刷が完了しました。(全パーツの印刷時間はトータルで2日ほどかかりました。。。)

ちなみに、写真右側の黒いパーツは、個々のパーツを組み合わせるときに隙間が出来ないようにTPUフィラメントでパッキンを作りました。

接合部にTPUで印刷したパッキンを装着

パッキンを取り付けたところ。

あとは、それぞれのパーツをボルトで組み立てるだけで、10分くらいで完了します。

吸気ダクト側
排気ファン側

ぉぉぉ!。まだ、本体内部にフィルターを取り付けていない状態ですが、無事完成しました!

完成したところでまずは、フィルターを取り付けていない状態でのファンの風速を測定します。(吸引力の測定方法が分からないので、手持ちの風速計で測定します。)

フィルターなしの状態で風力を測定

結果、吸気ファンを最大にしての風力は、9.6m/s~10.0m/sほどになりました。

吸引力としてみた場合に強いのか弱いのかはわかりませんが、集塵機としては、どうやら強い部類に入りそうです。

次に消臭効果を高めるために専用の活性炭カートリッジを作成します。

この活性炭カートリッジに市販の活性炭を詰め込んで消臭効果をアップさせます。

活性炭フィルターカートリッジ

また、詰め替え可能なカートリッジにしたので、活性炭が古くなっても中身を入れ替えるだけでカートリッジ自体は再利用可能にしました。

カートリッジに詰め込む活性炭は、Amazonで特大粒のものを購入しました。(消臭に使用する場合は、活性炭を洗浄する必要があります。)

活性炭をカートリッジに投入
活性炭カートリッジの完成

上記の活性炭カートリッジを3セット作成しました。

・テスト1回目

今回は、消臭効果を最大にしたいので吸気側にLV-H128‐RFフィルターカートリッジを3個+排気側に活性炭カートリッジを3個の計6個で挑戦してみます。

カートリッジを取り付けたらカバーを取り付けて、レーザー加工機とダクトで接続します。

レーザー加工機側
集塵機側

実際に取り付けての効果測定になります。

ただ、正確な測定器を持っていないので、感覚での評価になっております。。

実際にテストするとあまり効果が感じられません。。。

どうやら、xTool M1本体の排気ファンからダクトを経由して今回作成した集塵機までの部分で排気が滞留してしまっているように思われます。(たぶん。。

その結果、本体側の隙間から煙と臭いが漏れ出てしまっているようです。(たぶん。。

・吸気能力改善

そもそもですが、LV-H128‐RFフィルターカートリッジ3個+活性炭カートリッジ3個の計6個を搭載した状態での風速を測定しました。

フィルター搭載後の風速

結果、2~2.2m/sで搭載前から約5分の1ほどに低下しています。

吸気能力をアップするために集塵機の吸気側にもファンを取り付けて改善を図ります。

吸気側にもファンを取り付け

排気側に搭載したファンと同じものを吸気側にも取り付けました。

この状態での風速は、

吸気・排気ファン搭載時

結果は、4~4.2m/sと排気ファンだけに比べると風速が2倍になりました。(思っていたよりアップしなかった。。。)

・テスト2回目

さて、改善した集塵機でレーザー加工機の煙と臭いがどれだけとれるか再度テストを行います。

集塵機接続

排気がダクト内で滞留しないように、なるべく本体と集塵機の距離を近くしてダクトホースを短くする。カーブとかもあると良くないのですが、設置場所の制限があるので、今回はこれが限界です。

色々とパーツを買ったり、時間をかけてケースの設計をしたりと中々の労力をかけたので、少しでも効果がありますようにと願いつつ。。

比較のために集塵機を取り付けない場合と取り付けた場合の2パターンで測定します。

集塵機なしでMDFをカット結果

切断中に発生する花火のような臭いと煙が部屋中に蔓延して、加工が終わった後もしばらく煙と臭いが残る。

言い表すなら、花火を部屋の中でやっている感覚。

集塵機を取り付けてMDFをカット結果

切断中に発生する臭いを完全に取り除くことはできない。加工中は、花火の後のような焦げた臭いがするが、取り付けない場合に比べて、30%~50%くらいはカットできている印象。

加工後は、集塵機を取り付けないケースだと、加工後にも煙と臭いがしばらく残っているが、集塵機を取り付けた場合だと、加工後すぐに微かに臭うくらいまで抑えられている。

集塵機を取り付けた効果はそれなりにハッキリと表れたと思います。(親心?)

ただ、臭いを完全に除去できている訳ではなく、取り付けた場合も加工中は焦げた臭い(花火の後のような)がするので、換気なしで使用するのは難しいと思われる。

テスト風景

しかし!、これで満足は出来ません!

・集塵・消臭の効果をアップの改善策

今回、作成した集塵機により、臭いと煙完全に除去することはできませんが、半分程度?に抑えることが出来ました。

より集塵・消臭の効果をアップさせるためにいくつか改善をしてみました。

消臭の要である活性炭のカートリッジを大容量化をします。複数のカートリッジを入れるのであれば、一つにまとめてしまった方が色々と効率がよいので。

あと細かい部分になりますが、メッシュの穴のサイズも若干大きくしています。

改良版の活性炭カートリッジ

これ1つで前回作成した活性炭カートリッジ5つ分になります。

活性炭カートリッジ

空気の通り道であるメッシュ部分も印刷方向に合わせて改善をしています。

次に、活性炭自体も専用のショップで「レーザー加工機排気専用活性炭」に変更してみます。

到着したレーザー加工機専用の活性炭

Amazonで購入した空気センサーを利用してちゃんとした数値として測定する予定です。

副次的な機能で、加工後にダクトを外して集塵機だけを動かしておけば空気清浄機として利用可能です。(仕組みは空気清浄機なので。)

スタンドアロンでの空気清浄

もし、集塵効果がそれなりに期待できるようであれば、フリマサイトなどで販売できればと思っています。

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