Selbstbau-CNC

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Motivation

Hier dokumentiere ich den Bau meiner CNC-Plattform, mit der sich unter anderem Platinen und Gehäusefronten fräsen lassen. Auch Holz lässt sich damit wunderbar gravieren oder ausschneiden.

Teileliste

Um zu schnell zu einem Ergebnis zu kommen, entschied ich mich, auf die zahlreichen im Netz verfügbaren Sets zum Thema CNC und 3D-Druck zurückzugreifen. Dabei legte ich jedoch Wert darauf, keinen kompletten CNC-Bausatz zu kaufen, sondern die Dimensionierung und den generellen Aufbau der Maschine selbst zu bestimmen.

Elektronik

Die verwendeten Motoren haben ein Haltemoment von ca. 0,8 Nm.

Auf dem Arduino läuft der G-Code-Interpreter GRBL (Pinout, Hex-File, Flashen mit XLoader), welcher vom Universal G-Code Sender bespaßt wird.

Insgesamt habe ich für die Elektronik also 109 € ausgegeben.

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Schrittmotorsteuerung-2

Achsen und Mechanik

Die Mechanik wurde in allen drei Achsen mit Gewindespindeln realisiert. Die X-Achsen-Linearführung wurde aufgrund ungenügender Stabilität im Nachhinein noch einmal überarbeitet. Auch wurden die Gewindespindel-Montageblöcke nachträglich noch einmal gegen Exemplare mit besserem Gewinde ausgetauscht. Zusätzlich wurden die bei den Sets beiliegenden Spindelmuttern nachträglich gegen solche mit einer Federverspannung ausgetauscht — hierdurch konnten lästige Vibrationsgeräusche beim Verfahren fast vollständig eliminiert werden.

Insgesamt habe ich für die Achsen und Mechanik also ca. 178 € ausgegeben. (Die alte und daher nun ungenutzte X-Achsen-Linearführung sowie die schrottigen Montageblöcke und die überflüssigen, nicht verspannten Spindelmuttern mit inbegriffen.)

CNC-Y-Achse-1

CNC-Y-Achse-2

CNC-Y-Achse-3

Spindeln-Lieferung

Spindeln-Komplett

Gewindemutter-Montageblöcke

Federverspannung

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Stehlager

Wellenkupplungen-Schalter

Holz- und Alu-Konstruktion

Bei den Platten handelt es sich um Siebdrucksperrholz mit 15mm bzw. 21mm Stärke. Um die Achsen in etwa auf Höhe der Motorwelle anzuheben, verwende ich die zusätzlichen, dickeren Platten; die Feinjustierung erfolgt über Unterlegscheiben.

Holz

Ohne Berücksichtigung von Zusatz-/Versandkosten und Kleinteilen wie Winkel, Schrauben, Kabel oder sonstigem Montagematerial beläuft sich der Gesamtpreis der Holz-/Alu-Konstruktion somit auf rund 62 €. (Für einen Vorrat an verschiedenen Schrauben habe ich noch einmal rund 30 € ausgegeben.)

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Frässpindel, Fräser und Bohrer

Meine ersten Versuche mit einem günstigen „Mini-Bohrmaschine“ waren recht ernüchternd; der Rundlauf ist katastrophal, die Lautstärke fatal (Bürstenmotor). Daher habe ich erneut Geld in die Hand genommen und eine Brushless-Spindel mitsamt Netzteil und Controller aus chinesischer Produktion besorgt; die Lautstärke ist nun durchaus annehmbar und der Rundlauf ist verglichen mit der „Mini-Bohrmaschine“ optimal. Für Interessierte gibt es auch ein ausführlicheres Review im mosfetkiller-Forum. Die Brushless-Spindel erreicht bei mehrstündiger Volllast übrigens eine stattliche Temperatur von ca. 50 °C, gemessen an der Alu-Halterung. (Die Schrittmotoren erreichen diese Temperatur ebenfalls.)

Insgesamt hat mich das nun verwendete, neue China-Frässpindelset inklusive meines Vorversuchs mit der FERM-„Mini-Bohrmaschine“ und zuzüglich der Gravierstichel also ca. 140 € gekostet.

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Zum Fräsen von Holz, Kunststoff, Alu und Leiterplatten habe ich mir die folgenden Fräser gekauft und dafür rund 22 € ausgegeben.

Letztlich habe ich mir zum Bohren von Leiterplatten außerdem die folgenden Vollhartmetall-Bohrer zugelegt und dafür rund 21 € ausgegeben. Siehe auch: Platinen Bohren (Mikrocontroller.net).

Bilder vom Bau

Y-Achse

Beim Aufbau der CNC-Fräse habe ich mit der Grundplatte und der sich direkt darauf befindlichen Y-Achse begonnen. Die Y-Achse ist als Schlitten konzipiert, welcher sich unter dem Portal vor- und zurück bewegt. Der Schlitten besteht aus einer Holzplatte, auf welcher wiederum die Nutplatten montiert sind. Zur Überbrückung des Abstands zwischen Gewindespindel-Montageblock und Schlitten wurden diverse Kunststoffdichtungen übereinandergeklebt.

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Y-Block-Anhebung

X-Achse

Die X-Achse wird auf dem feststehenden Portal montiert. Die hier gezeigte alte X-Achse wurde noch mit freistehenden Linearführungen aufgebaut — diese Konstruktion war allerdings eher freischwingend und alles andere als starr. Daher wurde die X-Achse noch einmal mit starren Schienen neu aufgebaut. Die Fotos dazu folgen in Verlauf dieses Artikels.

X-Achse_Fuehrung

Portal

Z-Achse

Der Aufbau der Z-Achse gestaltete sich etwas fummelig; als Abstandshalter mussten Muttern aufgeklebt werden, um die Höhe der Linarführungswellenhalter zu überbrücken. Für die ersten Tests wurde behelfsmäßig eine günstige „Mini-Bohrmaschine“ auf der Z-Achse montiert.

Z-Achse_Fuehrung

Z-Anhebung

Z-Fixierung

Z-Achse_Spindel

Für die nachträgliche Montage der China-Frässpindel musste ich die Werkzeug-Platte noch um ein paar cm auf 14cm Länge kürzen, um den gewünschten Verfahrweg zu erreichen.

Nach diversen Experimenten mit der Positionierung der Bohrlöcher habe ich die Z-Platte sowie die Werkzeugplatte noch einmal komplett neu gemacht, diesmal mit vernünftiger Bohrschablone und mit einer Standbohrmaschine. Jetzt passt alles perfekt und die Platten sind vorallem endlich exakt parallel zueinander! Die Bohrschablonen gibt’s hier im LibreOffice Draw-Format zum Download:

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Plattform

Der mechanische Aufbau der Plattform (mit der alten X-Achse), hier noch ohne Elektronik und Verkabelung.

Halbfertig-Frontansicht

Halbfertig-Seitenansicht

Elektronik und Verkabelung

Die Elektronik besteht im Wesentlichen aus dem Schaltnetzteil, den Schrittmotor-Treibern, dem Arduino (erstes Gehäuse) und einer Schalt-/Verteilerkiste für Netzspannung (zweites Gehäuse). Die Netzspannungskiste enthält (in der ersten Version) nebst einem Solid-State-Relais zum Schalten der Frässpindel ein kleines Hi-Link-Netzteil, welches den Arduino mit 5V versorgt; somit sind die Schaltausgänge des Arduino auch ohne angestecktem USB-Kabel stets in einem wohldefinierten Zustand.

• Die Sicherung („Polyfuse“) zwischen USB-Power und der 5V-Schiene wird entfernt. Somit ist der USB-Port überhaupt nicht mehr in der Lage, das Board zu versorgen.
• Eine Diode wird zwischen 5V (Anode) und Vin (Kathode) gesteckt, damit der 5V-Regler auf dem Board nicht rückwärts versorgt werden kann.

Die Arduino-Kiste beherbergt außerdem eine Hohlsteckerbuchse zum Anschluss der Probe-Klemmen, Stichwort Z-Leveling zum automatisierten Abtasten einer Leiterplatte zwecks Erstellung eines Höhenprofils für akkurate Leiterbahntiefen. Auch Taster für Pause/Continue und Not-Aus sowie eine Power-LED sind vorhanden.

Die Schrittmotor-Treiber und der Arduino sind über ein altes VGA-Kabel (mit schön vielen, bunten Adern) verbunden; ein Stück Lochblech dient als Abdeckung, damit diese Verkabelung nicht versehentlich beschädigt werden kann.

Bau

Elektronik

Rueckansicht

Seitenansicht-offen

Seitenansicht-geschlossen

Mit dem nachträglichen Einbau des China-Frässpindelsets ist noch ein Schaltnetzteil sowie der Spindel-Controller (mitsamt Drehzahlpoti und -anzeige) hinzugekommen. Das Solid-State-Relais ist wieder aus dem Netzspannungsgehäuse rausgeflogen, da nun nicht mehr direkt die Netzspannung der Spindel geschaltet werden muss. Stattdessen geht das Spindel-Enable-Signal — über einen Transistor invertiert — an den Spindel-Controller.

Die Schrittmotoren aller Achsen werden mit 8 Mikroschritten betrieben, was mit den verwendeten T8-Gewindespindeln 200 Schritten pro Millimeter Verfahrweg entspricht. Hiermit habe ich in meinen ersten schnellen Tests gute Resultate erzielt; es ist möglich, dass ich hier noch weiter optimiere, um den bestmöglichen Trade-Off zwischen Drehmoment und Präzision zu erreichen.

Absaugung

Da ich selbst heute noch rote Späne von meinem ersten Kunststoff-Frästest in allen Ecken und Kanten der Maschine finde, wurde es allerhöchste Zeit für eine Absaugvorrichtung. Dafür habe ich mir einen relativ günstigen Staubsauger mit HEPA-Filter (gute Filterwirkung auch bei kleinsten Staubpartikeln) besorgt:

Die Lautstärke des Staubsaugers ist annehmbar, trotzdem verwende ich einen Stelltrafo, um den besten Kompromiss zwischen Saugleistung und Lautstärke zu finden.

Ein Kumpel hat mir freundlicherweise einen schönen Absaugadapter designed und 3D-gedruckt! (Den G-Code kann ich auf Anfrage hier hochladen.) Sehr schön ist, dass die Rastnasen des originalen Staubsaugerschlauches perfekt in den Absaugadapter einschnappen.

Ich hatte außerdem noch ein paar sehr billige LED-Leisten herumfliegen, welche ich kurzerhand auf den Adapter geklebt habe. Die drei Leisten à 12V sind seriell verschaltet und werden von der 36V-Schrittmotorversorgung gespeist.

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Der Absaugadapter besteht aus zwei Teilen, welche magnetisch aneinander haften. Der obere Adapter mit Saugkanal wird direkt an die Frässpindel angeschraubt. ( Achtung! Aufgrund der beim Fräsen auftretenden Vibrationen müssen die Schrauben unbedingt mit Sicherungslack fixiert werden!) Die untere Düse muss abnehmbar sein, damit man die Schraubenschlüssel zum Verspannen des Werkzeuges noch vernünftig ansetzen kann. Leider haben wir die untere Düse im ersten Anlauf etwas zu kurz dimensioniert, sodass die Saugleistung zu stark gemindert wird; insbesondere für die Aluspäne beim Planfräsen der Werkstückplatte hat es damit leider noch nicht ganz zuverlässig gereicht. Außerdem wäre abschließend noch die Rolle des Adapters als ungewollter Resonanzkörper zu klären. 😉 Fortsetzung folgt!

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Fertiggestelltes Gerät

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Fertig-3

Version1

Fertig-2

Verkabelung und Ansteuerung

Anbindung Arduino/Schrittmotortreiber

Das folgende Schema zeigt die Anbindung eines Schrittmotor-Controllers an den Arduino.

Universal G-Code Sender

Vom Universal G-Code Sender gibt es zwei verschiedene Versionen, ich verwende die neuere Platform-Version. Die CNC-Fräse wird via USB mit einem Rechner verbunden, auf dem UGS Platform gestartet wurde. Dann wird die richtige serielle Schnittstelle selektiert und auf Connect geklickt.

UGS bzw. GRBL kennen zwei Arten von Koordinaten:

• Die absolute Machine Position, relativ zu den Home-Schaltern und im Controller State in kleinen Digits angezeigt.
• Die Work Position, relativ zum frei wählbaren Arbeitsnullpunkt, im Controller State in großen Digits angezeigt.

Bevor ein G-Code-File geladen und gestartet werden kann, sollten die folgenden Aktionen verstanden werden:

Die folgenden Bewegungsparameter legen die Schrittweite und -geschwindigkeit für den manuellen Betrieb (Jog-Controller) fest:

• Step Size XY: Hier können beliebige Werte eingetragen werden; wenn die Bewegung um die eingestellte Schrittweite den Arbeitsbereich überschreitet, verhindert GRBL diese Aktion mit einer Fehlermeldung.
• Step Size Z: Hier sollten kleinere Werte eingetragen werden, um bei unbedachtem Verfahren der Z-Achse den Fräser nicht ins Werkstück zu rammen.
• Feed Rate: Die Verfahrgeschwindigkeit für alle Achsen. Ist dieser Wert größer als das in den Firmware-Einstellungen konfigurierte Maximum für die jeweilige Achse, so wird die Geschwindigkeit auf eben diesen Wert gedrosselt.

GRBL

Die Firmware-Einstellungen von GRBL können vom Universal G-Code Sender (Menü Machine / Firmware Settings) aus komfortabel editiert werden. Hier können Achsenbeschleunigungen, Maximalgeschwindigkeiten und vorallem die Mikroschritt-Konfigurationen dauerhaft eingetragen werden.

Meine Firmware-Einstellungen finden sich der Vollständigkeit halber und zwecks Orientierung für andere Interessierte hier zum Download:

Wichtige G-Codes

Auch wenn der Universal-G-Code Sender die komplette Ansteuerung der Schrittmotoren übernimmt, kann die Kenntnis einiger wichtiger G-Codes nicht schaden. Kommentare innerhalb eines G-Code-Files sind übrigens erlaubt, solange sie in runden Klammern stehen.

(Maximale Verfahrgeschwindigkeit)
G94 F500

(Homing)
$H G10 P0 L20 X0 Y0 Z0

(Maximale Spindelgeschwindigkeit, kann nach jedem Reset automatisch vom "Start-up Block" mit dem folgenden Befehl gesetzt werden: $S0=S1000)
S1000

(Frässpindel einschalten)
M3

(Frässpindel ausschalten)
M5

G-Code-Export aus Inkscape

Allgemein

Für meine ersten Tests habe ich in Inkscape eine Vektorgrafik erstellt und mithilfe von gcodetools als G-Code exportiert. Die Installation von gcodetools besteht darin, einfach alle Dateien aus dem GitHub-Repository nach share\extensions relativ zum Inkscape-Installationsverzeichnis zu kopieren.

Eine gute Beschreibung zum Vorgehen beim Exportvorgang und der Parametrisierung findet sich hier: Fräsdaten mit Inkscape.

Insgesamt ist dieser Workflow nicht sonderlich komfortabel, funktioniert nach ein wenig Experimentieren aber recht gut.

Flächen (Taschen)

Wenn mit Inkscape eine abgesenkte Fläche bzw. Tasche erstellt werden soll, so funktioniert dies über das Flächen– bzw. Area-Tool von gcodetools. Zum Einspannen von Europlatinen habe ich mir z.B. die folgende Vorrichtung gebaut, welche eine 1,6 mm tiefe Tasche im Format 160 mm x 100 mm enthält. (Da ich eine Platine an der linken Platinenkante etwas weiter außen fräsen musste, wird die Platine dort nur durch zwei Unterlegscheiben fixiert.)

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Zuerst wird ein Reckteck im gewünschten Format gezeichnet. Dabei muss allerdings der Werkzeugdurchmesser berücksichtigt werden!

Das erzeugte Rechteck wird nun in einen Pfad umgewandelt. Mit dem Flächen-Tool von gcode-tools werden dann Fräsbahnen innerhalb dieser Fläche generiert. Hierbei habe ich die Werkzeugüberlappung auf 0,5 konfiguriert, also bezogen auf den Werkzeugdurchmesser 50% „seitliche Zustellung“. Die maximale Anzahl an Flächenschnittkurven sowie die Breite der Fläche werden ausreichend groß angesetzt, sodass die gesamte Fläche von Fräsbahnen überdeckt wird. Hierfür bietet es sich an, die Live-Vorschau zu aktivieren. Im Reiter Bereich füllen kann zwischen Zickzack– und Spiral-Form der Fräsbahn gewählt werden (ich habe Zickzack verwendet). (Achtung, das Plugin ist verbuggt; wenn Zickzack gewünscht ist, muss manchmal erst auf Spirale und dann wieder auf Zickzack zurückgeschaltet werden!) Dann wird auf Anwenden geklickt und der Flächen-Dialog geschlossen.

Nun wird das ursprüngliche Rechteck gelöscht, sodass nur das Objekt mit den generierten Fräsbahnen übrig bleibt. Über die Objekteigenschaften wird die Konturfarbe sicherheitshalber auf schwarz gesetzt. Dann wird mit Pfad zu G-Code der G-Code erzeugt. Als Schnittreihenfolge sollte hierbei Durchlauf für Durchlauf gewählt werden und auch Sortierte Pfade, um schnelle Entfernung zu reduzieren sollte angewählt werden.

Es wird davon ausgegangen, dass die Orientierungspunkte (insbesondere die korrekte Z-Tiefe) sowie eine Werkzeugdefinition (insbesondere Depth Step) zuvor bereits angelegt wurden. Die oben gezeigte MDF-Platte konnte ich mit einem zweischneidigen Spiralfräser bei 1500 mm/min XY-Vorschub und 800 mm/min Z-Vorschub problemlos in einem Zeitraum von etwa 2 Stunden bearbeiten (zwei Durchgänge, also 0,8 mm Depth Step).

G-Code-Export aus EAGLE

Allgemein

Einen ersten Test zum Platinenfräsen habe ich mit Version 1 der CNC-Fräse durchgeführt, doch die Resultate waren aufgrund der schwingenden X-Achse sowie der inakkuraten Frässpindel inakzeptabel. Die nächsten Tests mit der verbesserten X-Achse und der China-Spindel verliefen sehr viel besser und lassen sich im Video am Anfang dieses Artikels bewundern. Die Teile zum Fixieren der Leiterplatte heißen übrigens Spanneisen bzw. Spannpratzen und sind unter diesem Namen auf Ebay zu finden.

Das Exportieren von Leiterplattendaten (Leiterbahnen, Bohrungen) geschieht über das ULP pcb-gcode-4.6.2.4. Für das Fräsen von Platinenkonturen (EAGLE-Layer 46: Milling) in mehreren Durchgängen empfehle ich den folgenden Patch: Fixing an Eagle Plugin: pcb-gcode. Die gepatchten Dateien müssen in das pcb-gcode-Verzeichnis kopiert werden. Der entsprechende Pfad muss in EAGLE eingetragen werden, damit das ULP funktioniert. Für das Generieren des G-Codes stehen verschiedene Styles zur Verfügung, ich verwende das Profil Tries to be very compatible (generic), mit dem GRBL keine Probleme zu haben scheint.

Hier gibt’s das englischsprachige Handbuch zu pcb-gcode.

Für den Fall, dass ein Backup erstellt werden soll, finden sich die im pcb-gcode Setup vorgenommenen Einstellungen übrigens im settings-Verzeichnis. Meine Settings lassen sich hier herunterladen:

In den DRC-Regeln von EAGLE habe ich im Grunde alles auf 16 mil (0,4064 mm) Minimalgröße gesetzt. Die Einstellungen lassen sie hier herunterladen:

Ich war übrigens überrascht, dass ich mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 1000 mm/min — für Prototypen-Qualität — noch relativ akzeptable Ergebnisse erzielt habe! Die Frästiefe habe ich auf 0,1 mm gesetzt und einen 30° / 0,1 mm-Gravierstichel verwendet. Immer darauf achten, einen „frischen“, spitzen Gravierstichel zu verwenden! Hier ist eine gute Lupe zur optischen Inspektion des Werkzeugs sehr hilfreich.

Allgemein werde ich noch etwas mit den Mikroschritt-Einstellungen spielen müssen. Außerdem muss ich noch herausfinden, inwiefern ich das bestehende Gewindespiel noch etwas weiter minimieren kann.

Z-Probing (AutoLeveler)

Vor dem eigentlichen Isolationsfräsen muss das Höhenprofil der Platine abgetastet werden, um überall eine gleichmäßige Frästiefe zu erreichen. Obwohl die Z-Probing-Funktion (AutoLeveler-Plugin) von UGS Platform angeblich verbuggt ist, hat sie in meinem Fall gut funktioniert.

Zuerst wird der Nullpunkt des Werkstücks gesetzt, indem die untere linke Ecke für den Top-Layer bzw. die untere rechte Ecke für den Bottom-Layer der Platine angefahren wird. Zum Ermitteln der Z0-Höhe fahre ich immer solange in 0,1 mm-Schritten nach unten, bis sich ein Stück Papier zwischen Werkzeug und Werkstück einklemmen lässt — danach fahre ich dann wieder um einen einzelnen 0,1 mm-Schritt nach oben.

Dann wird der Abtastbereich manuell zugewiesen oder bereits der gewünschte G-Code geladen und Use Loaded File angewählt, um die Dimensionen des geladenen Layouts zu übernehmen.

Dann wird das Z-Maximum etwas reduziert (auf z.B. 1…2 mm), dann wird Scan Surface angewählt und abschließend wird Apply to Gcode angeklickt. Je nach Größe des Boards kann die Resolution noch verändert werden, z.B. auf ein 15 mm-Raster für die Testpunkte.

Achtung! Aufgrund eines Bugs muss die GCode-Datei nach erfolgtem Scan einmal über das entsprechende Icon in der Menüleiste erneut geladen werden und dann erneut Apply to Gcode ausgeführt werden, damit die Feedrate korrekt gesetzt wird! (Das herauszufinden hat mich eine halbe Stunde gekostet…)

Für meinen dritten Test zum Platinenfräsen habe ich meine Einspannvorrichtung nicht verwendet, sondern eine Europlatine (Fotoplatine, da ich nichts anderes im Haus hatte) direkt mit doppelseitigem Klebeband an 6 Punkten auf der Opferplatte fixiert, da ich ganz bis an den Rand fräsen musste:

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Den Probe-Kontakt zum Z-Leveln habe ich über eine Metallklammer herstellt. An der entsprechenden Stelle habe ich den Fotolack abgekratzt. Nicht vergessen, vor Start des AutoLevelers den elektrischen Durchgang zu prüfen! Die Spitze des Gravierstichels sticht Fotolack einfach durch, sodass man Fotoplatinen ohne vorherige Behandlung Leveln und Fräsen kann — erst ganz zum Schluss erfolgt dann eine Reinigung der Platine mit Spiritus oder Aceton.

Bohrdaten

Daher habe ich für meinen dritten Test zum Platinenfräsen und -bohren die entsprechenden Tool Change-Kommandos manuell aus der Datei entfernt und einfach alle Löcher mit einem Bohrer (0,9 mm Durchmesser) gebohrt, auch wenn im EAGLE-Board ein anderer Durchmesser vorgesehen war. Die wenigen größeren Löcher habe ich dann nachträglich per Hand aufgebohrt.

Hierfür werden Blöcke der folgenden Art einfach gelöscht (von mir zur Erklärung nachträglich kommentiert):

M05                  <- Spindel abschalten
G00 Z25.4000         <- Zur Tool Change-Position fahren (erst Z)
G00 X0.0000 Y0.0000  <- Zur Tool Change-Position fahren (dann XY)
M06 T03  ; 3.2000    <- Das Tool Change-Kommando, welches GRBL nicht kennt
G00 Z1.0000          <- Wieder bis kurz über das Werkstück fahren
M03                  <- Spindel einschalten
G04 P4.000000        <- Spindel anlaufen lassen

Übrigens habe ich pcb-gcode auf eine Bohrtiefe von 2,2 mm konfiguriert, sodass ich auch ohne erneutes Z-Leveling nach dem Isolationsfräsen sicher immer durch die Platine komme; wenn die Kupferfläche nicht mehr durchgängig ist, kann der Bohrer an einer ungünstigen Abtastposition, an der kein Kontakt herrscht, „ins Leere“ fahren, abbrechen und die Platine ruinieren.

Simulation des G-Codes

Unter Umständen lohnt es sich, den generierten G-Code zu simulieren, bevor dieser auf der realen Maschine ausgeführt wird. Für diesen Zweck eignet sich z.B. die Open Source-Software CAMotics, welche die erzeugten Fräserbewegungen in Echtzeit darstellt und so eine visuelle Überprüfung des Fräsprogramms erlaubt. Ich empfehle, eine ältere Version (z.B. 1.0.0) zu installieren, falls Probleme mit OpenGL auftreten oder der anscheinend erst kürzlich implementierte Abfragedialog beim Schließen des Programms zu sehr nervt.

Justage und Pflege

Zur Ausrichtung X-Achse habe ich einen alten Gravierstichel auf die Y-Ebene (Werkstückplatte) herabgesenkt und bin vorsichtig nach links/rechts verfahren. Dann habe ich die Schrauben der X-Platte minimal angelöst und selbige mit ein paar vorsichtigen Hammerschlägen auf der entsprechenden Seite in der Höhe justiert. Das ganze Prozedere erfordert ein wenig Geduld, da nach jeder Veränderung die Schrauben wieder komplett angezogen werden und die Parallelität zur Y-Ebene erneut geprüft werden muss.

Mit einem Metallwinkel habe ich die Orthogonalität der Z-Achse zur Y-Ebene geprüft. Durch kurzzeitiges Anlösen der vier Schrauben, welche die Z-Anhebung auf der Z-Platte fixieren, kann die Ausrichtung feinjustiert werden.

Als „krönenden Abschluss“ habe ich dann die Nutenplatten plangefräst; trotz gewissenhafter Justage der Achsen bleibt immer eine gewisse Asymmetrie übrig, auch die Nutenplatten an sich sind nicht komplett plan, und was die Siebdrucksperrholzplatte macht, weiß ich auch nicht. So können von einer Ecke zur anderen schon einmal 0,5 mm Höhenunterschied zustandekommen. Bei einer solchen Schnitttiefe sollte dann unbedingt Spiritus zur Kühlung hinzugegeben werden. Als Fräser verwende ich den flachen Zweischneider mit Ø 2 mm. Den G-Code zum Planfräsen habe ich als Zickzack-Fläche mit Inkscape erzeugt. Als seitliche Zustellung habe ich 50%, also eine Überlappung um den halben Fräserdurchmesser gewählt.

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Im zweiten und dritten Durchlauf bin ich deutlich schneller verfahren (in etwa mit dem doppelten Vorschub), da nun die größten Unregelmäßigkeiten bereits beseitigt wurden und das „Gelände bekannt“ ist. Bei jedem neuen Durchlauf habe ich die Z0-Position um einen Zehntelmillimeter weiter abgesenkt, bis wirklich die gesamte Werkstückplatte vom Fräser erfasst wurde.

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Am Ende habe ich die Fläche noch ganz leicht mit feinem Schleifpapier+Schleifblock entgratet, da durch die Fräsergeometrie und die gewählte Überlappung minimalste Stege übrig geblieben sind.

Damit das Planfräsen sich gelohnt hat darf ab jetzt nichts wesentliches mehr an der Maschinengeometrie verändert werden!

Zur regelmäßigen Schmierung der Spindeln und Lager verwende ich Ballistol. (WD40, Feinmechaniköl oder Fett ginge sicherlich auch.) Grober Schmutz und Späne muss vorher natürlich entfernt werden. Zur Vermeidung von feinem Staub ist die Absaugvorrichtung gerade beim Fräsen von Platinen und Holz fast unerlässlich. (Jede Gewindespindel bräuchten zum Staubschutz eigentlich noch einen Faltenbalg, jedoch habe ich dafür noch keine vernünftige Bezugsquelle gefunden.)

Ergebnisse und Fazit

Die überwiegend chinesischen Mechanik-Produkte locken mit günstigen Anschaffungspreisen; da hierbei jedoch keine besondere Qualitätskontrolle zu erwarten ist, sollte man sich der teilweise erforderlichen Nachbearbeitung bewusst sein.

Auch das Anzeichnen, Bohren und Nachkorrigieren der Löcher zur Montage von Gleitlagern und Siebdruckplatten eine mühselige Arbeit. Aber da das Henne-Ei Problem mit der Fertigstellung dieser CNC-Fräse nun endlich gelöst ist, können alle weiteren Projekte dieser Art wenigstens computergesteuert realisiert werden! 🙂

Insgesamt habe ich bis jetzt ca. ein halbes Jahr (mit viel Unterbrechung und an nur wenigen Abenden in der Woche) an der CNC gebastelt und habe dafür knapp 650 € gelöhnt (wenn man den Staubsauger mit einberechnet), inklusive einer Erstausstattung mit Fräsern und Bohrern. Mit einer Grundfläche von 50 cm x 60 cm (Tiefe meines Basteltisches) und einem Arbeitsbereich von ca. einer DIN-A4-Seite bietet die Fräse für meine Zwecke einen guten Kompromiss aus Stellplatz und maximaler Größe des zu bearbeitenden Werkstückes (Holz, Alu, Platinen).

Die Steifigkeit des Aufbaus ist meines Erachtens sehr gut — das schlägt sich natürlich auch im Gewicht der Maschine wieder. Das hohe Gewicht hat aber auch den Vorteil einer besseren Vibrationsdämpfung. Die Lautstärke der Maschine hält sich tatsächlich in Grenzen, zumindest seitdem ich die China-Frässpindel und die federverspannten Spindelmuttern montiert habe. (Der größte Störenfried ist tatsächlich die Absaugvorrichtung.)

Alles in allem bin ich mit dem Projekt äußerst zufrieden und freue mich auf die nachfolgenden Basteleien, welche mithilfe dieser CNC realisiert werden. Updates poste ich natürlich hier!

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Gravier-Test