CNC Fräsmaschine

Details: Projekte die mit CNC gemacht wurden

NEU: Zeichnungen und Konstruktion der Maschine

Nachdem meine Teile immer komplizierter wurden kam die Idee auf eine CNC-Fräse zu erwerben. Es gibt da viele Angebote, im Handel als auch bei Ebay. Aber die bezahlbaren sind zu wackelig, z. T. werden da abenteuerliche Konstruktionen verkauft, die sich von der Stabilität her höchstens für Balsaholz oder Papier eignen. Die stabileren kosten alle zuviel Geld, also musste ein Eigenbau her.

Ich habe mich da lange schlau gelesen, u. a. in den Büchern von Christoph Selig , er hat unter www.einfach-cnc.de auch eine Seite zum Thema. Dort findet man viele Tricks und Baupläne für eine Eigenbau-CNC. in Peters CNC-Ecke findet man auch kompetente Hilfe und viele gleichartige Projekte zum spionieren.

Nachbauen ist aber doof, außerdem gefielen mir einige Details der Fräse nicht, vor allem die Gleitlager waren nicht das, was ich wollte. Es gibt da viele Möglichkeiten, aber Stangen sind die schlechteste, da diese sich durchbiegen und das Ganze dann anfängt zu schwingen. Merke: Kaufe nie eine Fräse mit Rundstangen als Lager, das wird nix.

Kugelumlaufführungen sind das ideale, diese sind spielfrei und trotzdem sehr leichtgängig, kosten dafür eine menge Geld. Es gibt sie bei Ebay (Meist gebraucht = ausgelutscht) oder bei Romani CNC, ein Fachhandel mit günstigen Angeboten. Diese kosten nicht viel mehr als die gebrauchten bei Ebay, sind dafür nagelneu und auf Maß geschnitten. Das hat einen weiteren Vorteil: Diese Schienen sind gehärtet, ein Sägen ist unmöglich. Schneidbrenner geht, oder Trennscheibe mit Flex. Die Jungs schneiden sie aber viel sauberer ab.

Fazit der ganzen Sache: Man muss viel Geld in die Hand nehmen, dafür hat man lange Spaß daran. Bei Werkzeug gilt immer: Billig ist am Ende teurer. Das gilt besonders in diesem Bereich, eine billige Fräse wird irgendwann doch durch eine teure ersetzt. Dann kostet es doppelt.

6 Monate habe ich den Bau geplant, mir nach und nach die Teile zusammen gekauft. Eine Kugelspindel habe ich bei Ebay gefunden, andere bei Isel gekauft. Die Führungen kamenvon Romani, die für die Z-Achse (eine extra breite) von Ebay, dafür war sie noch sehr gut zu gebrauchen.

Die ganze Fräse wurde erst einmal in 3D gezeichnet um so alle Teile exakt anpassen zu können. Diese 3D-Grafik wurde dann in Autosketch in 2D-Zeichnungen umgesetzt. Es waren viele Teile zu fertigen, u. a. die Lagerböcke für die Kugellager. So etwas hatte ich bisher noch nie gemacht, aber man lernt immer neues dazu.
Meine Fräse, eine BF20 von Optimum, hat sich wacker geschlagen :-)

Die Konstruktion ist ein wenig anders als andere Fräsen, ich habe mir Mühe gegeben Platz zu sparen, so ist der Motor für die Y-Achse unter der Bodenplatte, vor Staub geschützt. Der Motor der X-Achse ist ebenfalls verdeckt hinter dem Portal, und steht nicht seitlich ab, was noch,als 10 cm Platz spart. Die Z-Achse hat ein, wie ich finde, optimales Design, der Motor steht still, bei vielen anderen Fräsen fährt der Motor mit der Z-Achse rauf und runter. Außerdem sind die Führungen bei eingefahrener Z-Achse abgedeckt.

Meine CNC hat Verfahrwege von 55x45x15 cm, genug für meine Zwecke. Sie wiegt ca. 95 Kg, sieht man ihr nicht so an, aber sie lässt sich mit 2 Mann so gerade noch bewegen.
Es ist eine 1000 W Frässpindel von Suhner montiert, die geht bis 24000 U/min, ausreichend für mich, trotzdem so leistungsstark, dass ich damit mit 8mm Fräsern in Alu makellose Oberflächen hinbekomme.

Jetzt lasse ich mal Fotos sprechen:

Hier sieht man die Profile die die Bodenplatte bilden, ich habe sie ausgeschäumt um Schwingungen zu dämpfen.

Hier ist die Bodenplatte soweit fertig montiert, von unten gesehen, mittig ist die Kugelgewindespindel für den Antrieb.

Das Innere der Z-Achse: Linearführung von THK mit einer Kugelumlaufspindel. Läuft so leicht, dass man die Z-Achse mit der Hand bewegen kann, die Spindel fängt dann eben an zu drehen :-) Die Z-Achse ist aus 20 mm Alu gebaut und sehr stabil.

Hier ist ein Teil der Seiten in Bearbeitung, war schwer auf meiner Fräse 50 cm lange Teile zu bearbeiten, aber mit ein paar Tricks gehts.

Nach dem ersten Aufbau ging es dann ans Ausrichten. Die Linearführungen sind eine super Sache, solange sie exakt ausgerichtet werden. Dummerweise sind Aluprofile krumm wie ein Kuhschwanz, so muss man die Führungen dann mühselig ausrichten, sonst klemmen sie zuverlässig.

Ich habe das mit einer Messuhr gemacht, man zieht so lange Schrauben an bis alle gerade ist und keine Abweichung mehr hat. Man fängt mit einer Schiene an und richtet die zweite mit der Messuhr daran aus.
Da ich den leichten Lauf der Schienen unbedingt behalten wollte habe ich mit einem kleinen Trick nachgeholfen. Es gibt eine Epoxy-Alu-Masse namens DWH. Dieses Zeug ist wie eine Paste, ich habe es zwischen Laufwagen und Portalseiten gegeben. Die Teile schraubt man dann ganz leicht zusammen und richtet sie aus. Am nächsten Tag kann man die Schrauben dann festziehen und alles läuft super leicht.
Ohne DWH konnte ich trotz exakter Fertigung die Schrauben der Portalseiten nicht 100% festziehen, irgendeine Schraube hat den Laufwiderstand immer erhöht. Vielleicht bin ich da auch zu pingelig..

Hier sieht man den Einsatz der Messuhr:

Die X-Achse wurd per Messuhr an den Tisch angepasst, Lohn der Mühe ist eine Abweichung von 0 Hundertstel :-)

Nachdem alles ausgerichtet konnte ich schön damit spielen, da ich noch keine Motoren hatte ging das per Akkuschrauber :-)
Die Führungen gehen so leicht, dass sich das Portal auch ohne Motor verschieben lässt, die Z-Achse fährt durch ihr eigenes Gewicht nach unten, sie bringt die Kugelspindel zum Drehen. So soll es sein, sonst bringen die ganzen Kugelführungen nichts.

Die Z-Achse wurde noch verkleidet damit kein Staub an die Spindel kommt, dann wurde noch der Motorhalter gefräst.

Die Z-Achse ist aus 20 mm Alu gebaut, die Seitenportale aus 15mm Alu mit einem 20x30 Vierkant verstärkt.
Die Stabilität ist für eine Portalfräse gut, es gibt da so ein Test bei dem man mit einem Band 10 Kg Gewicht an die Frässpindel hängt. Viele Portale geben dann bis zu 15/100 nach, meine geht nur 6/100 zur Seite, das reicht aus um Alu zu fräsen.

Irgendwann war auch noch ein wenig Elektronik notwendig, ich habe das ganze in ein 19"-Gehäuse gebaut.
3 Schrittmotor-Endstufen von Leadshine werden von einer Schnittstelle von Benezan angetrieben. Strom liefern zwei Schaltnetzteilem eine mit 48V und eins mit 24V.
Alle Achsen haben Endschalter und je einen elektronischen Referenzschalter.
Momentan steuere ich das noch von meinem Arbeits-PC, das scheint soweit zu klappen. An Software setze ich Mach 3 (englisch) ein.

Hier von hinten gesehen, alle Anschlüsse sind steckbar ausgeführt und mit Sicherungen versehen. 2 Lüfter schaffen Hitze aus dem Gehäuse.

Nachdem die Steuerung und alle Kleinteile endlich da waren ging es an die Endmontage, alle Kabel wollen ja gut verlegt sein, Energieketten sind wegen der Bewegung pflicht, die Kabel sind sonst schnell dahin. Die Kabel sind spezielle Schleppkettenkabel, die sind besonders für Bewegung ausgelegt. Auch da gilt wieder: Lieber gleich gute nehmen, sonst kann man sie nach einem Jahr austauschen, und das macht viel Arbeit.

Die Z-Achse wird von einem Schrittmotor angetrieben, dieser treibt über ein Zahnriemen die Spindel an.

Hinten der Z-Achse ist ein kleiner Verteiler, dort befindet sich die geschaltete Steckdose für den Fräsmotor. So kann man auch schnell mal etwas anderes anschließen.

Die X-Achse wird auch per Zahnriemen angetrieben, 1:1 übersetzt. Der Motor steht nicht seitlich ab sondern sitzt hinter dem Portal, das spart viel Platz ein.

Hier ist das Festlager der X-Achse mit der Spindel zu sehen, alle SPindel sind mit Schrägkugellager und Nadellager gelagert.

Und so siehts dann komplett aus:

Erste Tests liefen prima, ich habe ihm erst einmal ein Teil für sich selbst gravieren lassen, eine "CNC"- in einem der Seitenabdeckungen.

Dann folgte ein Alu-Test mit 8 mm Zweischneider, Konzentrische Kreise in 15 mm Alu, es vibriert aber geht gut.

Insgesamt ein gerniales Werkzeug, das viele Dinge ermöglicht die vorher nicht möglich waren. Mein Saturn Projekt wird sicherlich davon profitieren, einige Teile sind schon in der Pipeline. U. a. sind Sperrholz-Spanten oder GFK-Teile super schnell und exakt zu schneiden, Platinenbohren geht ebenso prima wie das Fräsen von Alu-Motor-Retainer und Frontplatten für Elektronik.
Für Scale-Teile kann man so auch Gussformen herstellen. Die Möglichkeiten sind fast unbegrenzt.

Noch ein paar Details zur Steuerung:

Die Motoren werden mit 20 Mikroschritten pro Umdrehung angesteuert, die Endstufen können noch wesenlich mehr, aber macht wenig Sinn.
Bei 4mm Spindelsteigung mach das also 1000 Schritte pro mm.
Insgesamt schafft die Kiste einen Vorschub im Eilgang von 5m/minute, recht fix :-)
Beim Fräsen ist es aber wesentlich langsamer.
Ich habe mich für fertige Elektronik entschieden weil ich keine Lust auf Probleme damit hatte. Die Endstufen sind so billig, dass sich ein Selbstbau fast nicht lohnt, die Schnittstelle bekommt man mittlerweile für 20 Euro bei Ebay, dafür kann ich kaum die Platine machen und die Bauteile kaufen.

Die Frage der Spindeln war erst noch offen, erst wollte ich Trapezgewindespindel mit Nylatron-Muttern nehmen, die laufen recht leicht und sind günstig. Aber wen man auch fragt, jeder rät davon ab, da es auf dauer einfach wenig Sinn macht für die Führung auf Kugelumlaufwagen zu setzen um dann den Antrieb zu kastrieren. So bin ich dann bei Isel-Spindel gelandet, die sind vom Preis her noch handhabbar, sind aber auf Dauer sicher besser. Irgendwann tauscht man seine Trapzspindel doch aus um sie durch eine Kugelspindel zu ersetzen ;-)

Ich rate übrigens nicht zum Kauf von Führungen bei Ebay, die scheinen manchmal billig zu sein, viele sind aber ausgeleiert. Ich hatte einige ersteigert, sie mussten alle wieder zurück weil sie z.T. defekt waren. Die Verkäufer spekulieren auf die Ahnungslosigkeit der Käufer.
Bei Romani gibt es super Führungen die teils billiger sind als gebrauchte THK bei Ebay.

15 mm Führungen sind für solche Fräsen voll ausreichend, 20mm kosten nicht viel mehr und sind eine ganze ecke stabiler. Vor allem aber überdecken sie die Schlitze der Aluprofile besser als die 15mm-Schienen, bei denen muss man ein Streifen Flachstahl unterlegen sonst bekommt man sie nicht gerade angeschraubt.

Februar 2012:

Die Fräse wurde noch etwas verbessert, ich habe am Portal Stahlprofile angeschraubt um es stabiler zu machen. Das Gewicht ist dadurch erheblich gestiegen, was den Motoren aber nichts ausmacht.
Die Profile wurden vorher von einer Fachfirma geglüht und plangefräst, so ab Händler sind sie ziemlich krumm und nicht zu gebrauchen. Die Z-Achse ist komplett aus Stahl (C45) gefertigt, eine wassergekühlte Spindel sitzt dort jetzt in einem stabilen Halter. So umgerüstet lässt sich damit auch hervorragend Alu fräsen. Ein Aufsatztisch erlaubt das Spannen von dickeren Aluteilen, leider behindert die geringe Höhe der Z-Achse ein wenig, richtig hohe Teile lassen sich nicht bearbeiten.

So sieht sie jetzt aus, in der Mitte ist die Spindelzu sehen. 24000 Umin macht sie, 1,5 KW und flüsterleise, man hört sie kaum :-) Made in China, aber dafür doch sehr gut.

Noch einmal näher betrachtet, man beachte die Stahlaufnahme, die Z-Achse ist sehr stabil.

An den Portalseiten sitzt jeweils ein U-Stahlprofil

An der Brücke auch, nur etwas größer, 15 Kg schwer. Das ist am Aluprofil und an den U-Profilen der Seiten veschraubt.

Mein Vakuumtisch, sehr praktisch.

Und das ist der Aufspanntisch für schwerere Werkstoffe, die drei Flachstahlstücke dienen als flacher Schraubstock.

Platte ist 15mm Stahl C45, darauf sitzt ein Alu T-Nutenprofil. Griffe sind gleich dran, das Teil ist schwer...

An diesen Stahlteilen wird das ganze verschraubt, dank Stiftverbindung muss ich das nur 1x ausrichten, sitzt dann immer perfekt.