Bachelor's Thesis

Design of modular CNC laser engraving machine

Final Thesis 2.92 MB

Author of thesis: Bc. Ondřej Wölfel

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Adam Fábry

Reviewer: Ing. Vojtěch Florián

Abstract:

This thesis deals with the design and realization of a CNC laser engraver intended for
processing non-metallic materials of smaller dimensions. The aim of the thesis is to design
a partially self-replicating machine at an acceptable acquisition cost, comparable to freely
available laser devices.
A machine with Cartesian gantry system kinematics was designed and constructed, with a
working area of 255×255 mm and an original principle of prestressed layer stacking (PVD).
The machine is equipped with safety features, enclosed by a cover with fume filtration and
capable of autonomous operation without the need for a PC connection.
Testing established the cutting parameters, speed 200 mm/min at 100% power and 2 passes,
with a kerf width of 0.10–0.15 mm and a maximum tested travel speed of 6,000 mm/min.
The result is a functional Class 4 laser machine capable of self-replication of main structural
components and autonomous operation. The thesis demonstrates that a laser device can be
realized at a cost comparable to commonly available open-frame engravers.

Keywords:

CNC laser engraver, self-replication, diode laser, prestressed layer stacking, Cartesian gantry system

Date of defence

10.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student prezentoval svou závěrečnou práci a odpověděl na otázky vedoucího i oponenta. Dále odpovídal na dotazy členů zkušební komise a to následovně: Jakým způsobem jste řešil dynamické účinky od rychlých přejezdů? - částečně odpověděl

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Engineering (B-STR-P)

Specialization

Machine and Equipment Construction (SSZ)

Composition of Committee

doc. Ing. Miroslav Škopán, CSc. (předseda)
Ing. Lukáš Zeizinger, Ph.D. (člen)
Ing. Jiří Hloska, Ph.D. (člen)
Ing. Přemysl Pokorný, Ph.D. (člen)
prof. Štefan Čorňák, Dr. (místopředseda)

Supervisor’s report
Ing. Adam Fábry

K predloženej bakalárskej práci nemám zásadné výhrady. Som spokojný ako s dosiahnutými výstupmi študenta, tak aj s jeho prístupom počas celej doby riešenia práce, a to hlavne samostatnosť a ambiciózny a kreatívny prístup k riešeniu. Oceňujem rešerš komerčne dostupných zariadení a vytvorenie niekoľkých koncepčných variantov riešenia pred samotnou realizáciou finálneho zariadenia. Pozitívne ďalej hodnotím najmä technické myslenie pri implementácii jednotlivých dielčích častí zariadenia (mechanických, elektronických aj softwarových) do funkčného celku a finálne prevedenie zariadenia a jeho experimentálne otestovanie.

Napriek uvedeným pozitívam obsahuje práca viacero nedostatkov formálneho, grafického a metodického charakteru, ktoré znižujú jej odbornú úroveň. Jednalo sa predovšetkým o nezrovnalosti v terminológii, nejednotné označovanie (napríklad CORE XY, ktoré sa v texte vyskytuje v troch rôznych variantoch veľkých a malých písmen), drobné grafické a štylistické chyby a absencia detailných zobrazení na obrázkoch, prípadne ich nižšia kvalita. Práca trpí na nedostatok odbornej terminológie a celkovo nízku úroveň použitej literatúry.

Najväčší nedostatok práce však vidím v logickom štruktúrovaní práce, v úvahách pri výbere varianty a dávkovaní informácii pre čitateľa. Niektoré kapitoly uvádzajú zbytočne veľa informácii (kapitola 2.4 Laserová technologie), ktoré sú pre smerovanie práce nerelevantné, a dôležité kapitoly, ktoré majú slúžiť ako podklad k logickým úvahám a záverom sú strohé (kapitoly 2.7.2 a 2.7.3 s rozborom komerčne dostupných gravírovačiek). Takmer celá analýza problému v kapitole 3.1 stojí na rozbore pôvodného zariadenia, ktoré je pred analýzou nedostatočne popísané a autor jej venuje vyššiu pozornosť až v kapitole 4. Analýza problému je subjektívna a nečerpá z informácii a poznatkov z rešerše. Úvahy pri popise koncepčných variant v kapitole 4 sú subjektívne a pôsobia neodborne, ale výber konkrétnej varianty v kapitole 4.1 je objektívne podložený.

Popis konštrukčného riešenia a následné testovanie navrhnutého zariadenia je na veľmi vysokej úrovni. Študent odviedol veľké množstvo práce, výsledný produkt je otestovaný, funkčný a spĺňa požiadavky zadania. Úroveň práce znižuje jej textová časť, ktorá pôsobí neodborne. Prácu odporúčam k obhajobe a hodnotím ju stupňom B.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment B
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions C
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout B
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations B
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Vojtěch Florián

Práce se zabývá návrhem a realizací CNC laserové gravírovačky s důrazem na částečnou samoreplikovatelnost konstrukce. Práce má praktický charakter, jejím výstupem je funkční zařízení, které bylo autorem navrženo, zkonstruováno a otestováno. Pozitivně lze hodnotit zejména systematický výběr koncepce pomocí vícekriteriálního hodnocení variant, zpracování blokových schémat pracovního postupu i elektrického zapojení, důraz na bezpečnost zařízení a realizaci finálního funkčního prototypu včetně jeho testování. Přínosem je rovněž návrh modulární konstrukce rámu a celkové dotažení zařízení do provozuschopného stavu, za kterým je zjevně značné množství práce.
Na druhé straně práce vykazuje několik nedostatků. Struktura práce je místy nelogická a jednotlivé kapitoly na sebe dostatečně nenavazují. Popis koncepčních variant je v některých případech nedostatečný a postrádá odpovídající schémata. Některé uvažované koncepty navíc nesplňují požadavky zadání, zejména v oblasti samoreplikovatelnosti. Problematická je rovněž samotná deklarace samoreplikovatelnosti, která není kvantifikována a není jasně definováno například množství dílů potřebných k jejímu posouzení.
Zásadním nedostatkem práce je její spíše subjektivní charakter. Řada návrhových rozhodnutí není podložena exaktními metodami, výpočty ani kvantitativní analýzou a vychází převážně ze zkušeností autora. Tento přístup se promítá i do formulace cílů práce a celkové argumentace. Konstrukční řešení finální varianty není dostatečně detailně popsáno, což snižuje přehlednost a odbornou hodnotu práce a částečně devalvuje rozsah vykonané práce. Zejména u modulárního systému, který představuje konstrukčně nejzajímavější uzel, by bylo vhodné podrobnější rozpracování a hlubší technický popis.
Textová část práce výrazně snižuje odbornou úroveň jinak kvalitního praktického výstupu. Formální stránka práce je na přijatelné úrovni, avšak obsahuje stylistické nedostatky a místy nepřesné formulace technických tvrzení. Práce s literaturou odpovídá požadavkům, zdroje jsou citovány.
Celkově lze konstatovat, že práce splňuje požadavky na bakalářskou práci především díky realizaci funkčního zařízení. Odborná úroveň zpracování, zejména v oblasti metodiky návrhu, výpočtů a vyhodnocení výsledků, je však slabší. Práci doporučuji k obhajobě s hodnocením C.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment C
Working process, extent and suitability of applied methods D
Scholarly contribution and originality C
Ability to interpret achieved results and draw conclusions D
Applicability of results in practice or theory B
Logical arrangement of thesis and its layout E
Grafic layout, used style and language level C
Work with used sources including quotations B
Topics for thesis defence:
  1. Která z veličin přesnost polohování nebo opakovatelnost je pro funkci laserové gravírovačky kritičtější, a proč?
  2. Jak by změna průměru řemenice ovlivnila přesnost polohování?

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová