DIY CNC Portalfräsmaschine
Ein Traum von mir war schon seit langer Zeit eine eigene CNC Portalfräse, da ich öfter mal Plattenmaterial und Bleche bearbeite. Dies geht zwar meistens bei einfachen Sachen mit Bandsäge und Feile auch sehr gut. Sobald die Formen etwas komplexer werden oder mal Taschen oder Gravuren ins Spiel kommen, geht es ohne Fräse oft nur schwer bis gar nicht. Wegen der hohen Preise kam ein Kauf nicht in Frage. Um möglichst viel zu sparen, habe ich viele gebrauchte Teile benutzt, die ich teilweise kostenlos bekommen konnte. Dadurch ist die gesamte Konstruktion natürlich nicht optimal, was die Stabilität angeht, doch da ich eigentlich nur leichte Fräs- und Gravurarbeiten durchführen will, kann ich damit leben.
Die Mechanik...
... ist zugegebenermaßen etwas zusammengewürfelt. Der Grund dafür ist, wie oben schon genannt, das geringe Budget und zusammengesuchte Teile. Die Eckdaten der Maschine sind in folgender Tabelle 1 zusammengefasst:
Achse:
Verfahrweg:
Linearführung:
Linearantrieb:
Motor:
X
600 mm
16 mm unterstüzte Wellen- führung mit Linearlagern
16x10 mm KG-Spindel*
NEMA 23 Schrittmotor
1.8°/Schritt, 2,5 A/Phase
180 Ncm
Y
300 mm
Kugelschienenführung
12x4 mm KG-Spindel*
NEMA 23 Schrittmotor
1.8°/Schritt, 2,5 A/Phase
180 Ncm
Z
120 mm
16 mm Wellenführung mit Linearlagern
12x4 mm KG-Spindel*
NEMA 23 Schrittmotor
1.8°/Schritt, 2,5 A/Phase
180 Ncm
*Kugelgewindespindel
Tabelle 1) Technische Daten der Achsen
Die Grundplatte (Abb. 2) ist etwas ungewöhnlich, denn sie besteht aus 50 mm dickem Acrylglas, welches ich für gerade einmal 10€ bekommen habe. Von der Stabilität nicht mit einem Unterbau aus Stahl oder Alu zu vergleichen, aber für meine Ansprüche an die nötige Präzision durchaus brauchbar. Auf dem Foto ist bereits die aufgebaute X-Achse zu erkennen. Ein direkter Antrieb der Spindel war hier nicht möglich, darum kommt hier ein Zahnriemenantrieb zum Einsatz. Der Tisch besteht aus einer 15 mm Aluminiumplatte.
Das Portal
Es ist ein sehr einfacher Aufbau aus massiven Aluminiumplatten. Die Oberflächen sind plangefräst. Eine zusätzliche Versteifung des Portals ist in Planung, da die Seitenteile mit 15 mm Stärke
ziemlich dünn sind. Für Holz und Kunststoff reicht es aus, bei der Bearbeitung von Buntmetall stößt die Maschine jedoch schnell an ihre Stabilitätsgrenze, was sich durch unsaubere Fräsoberflächen
zeigt. Die schlechte Linearführung der Z-Achse wird einen großen Teil dazu beitragen. Die 16 mm Stahlwellen sehen auf den ersten Blick stabil aus, biegen sich jedoch bereits bei leichter
Krafteinwirkung mehr, als man sich als Laie vorstellt.
Die Spindellager
Die Kugelumlaufspindeln der X- und Y-Achse sind mit einer Kombination aus Fest- und Loslager ausgestattet. Die Bilder (links) zeigen den Aufbau der Festlager. Sie bestehen aus zwei einreihigen Schrägkugellagern vom Typ 7200B, welche in O-Anordnung mit einer gekonterten Mutter leicht gegeneinander gespannt werden. Die Spindel ist somit auf der Festlagerseite sowohl radial, als auch axial spielfrei gelagert. Die andere Seite der Spindel (Loslagerseite) befindet sich axial beweglich in einem Rillenkugellager vom Typ 6200. Diese Anordnung (Los-/Festlager) sorgt dafür, dass sich die Spindel bei eventueller Wärmeausdehnung nicht biegt bzw. beim Schrumpfen nicht unter Zugspannung steht.
Die Z-Achse ist nur oben (Motorseite) mit einem Festlager gelagert, die andere Spindelseite hängt frei in der Luft. Ein Loslager ist nicht zwingend nötig, jedoch kann es ohne, bei (schneller) Rotation der Spindel, zu Schwingungen kommen. Wird die Resonanzfrequenz der Spindel getroffen, kann sich diese so stark aufschwingen, dass es zu Schrittverlust der Motoren, starken Vibrationen und daraus resultierend sogar mechanischen Beschädigungen kommen. Je länger das frei in der Luft hängende Achsenende ist, desto höher ist das Risiko für negative Effekte. Selbst bei der kurzen Z-Achsen Spindel ist eine Vibration zu spüren, welche sich aber noch in Grenzen hält.
Die Elektronik
Nach einiger Überlegungen zu einem Eigenbau habe ich mich schließlich doch umentschieden und eine fertig aufgebaute Steuerung als Komplettpaket mit Motoren und Netzteil erworben. Die Steuerung der Firma "Modellbau Letmathe" (ext. Link) arbeitet mit dem Toshiba-Chip, welcher auch bei den preiswerten Steuerplatinen aus Asien eingesetzt wird. Die Peripherie ist jedoch weiterentwickelt und die Krankheiten der China-Steuerungen ausgemerzt (Stichwort galvanische Trennung, Optokoppler).
Die Steuerungsplatine findet zusammen mit dem Netzteil in einem selbstgebauten Aluminiumgehäuse platz. Die Datenleitung (25-adriges Parallelportkabel) wurde nach außen auf eine Buchse geführt,
alle anderen Ein- und Ausgänge (I/O's) für Endschalter, Referenzschalter usw. sind ebenfalls auf eine eigene Buchse (15-polig) nach außen geführt. Die Motorleitungen sind zusätzlich geschirmt, um
eine Störung der Datenleitungen zu vermeiden. Das Gehäuse verfügt über zwei Gehäuselüfter, welche mit einem Staubfilter ausgestattet sind. Gerade gefährliche Metallstäube, die beim Fräsen oder
sonstigen Arbeiten in der Werkstatt anfallen, sollen damit von der Elektronik fern gehalten werden.
Abb. 15) CNC-Steuerung
Kurzes Feedback zur Steuerung
Ich möchte an dieser Stelle kurz die Steuerung beschreiben: Negativ aufgefallen ist mir vor allem die Befestigung des Lüfters. Dieser wird einfach mit 4 Schrauben "an" den Kühlkörper geschraubt -
wenn man das überhaupt so sagen kann. Die Schrauben greifen nicht in die Kühlrippen, denn ein Gewinde ist dort nicht vorhanden. Die Kühlrippen müssen von Hand etwas zusammengebogen werden, damit
die Schrauben überhaupt halten. Es hält zwar und im Normalfall bewege ich die Steuerung auch nicht, aber schön ist es nicht. Bei einer aufrechten Montage würde ich der Sache nicht trauen! Im
Betrieb habe ich schon öfter mal Fehler gehabt, deren Ursache mir noch nicht ganz klar ist.
Mal schaltet sich das Relais auf der Steuerung einfach grundlos ein, mal schaltet sich eine Achse ein (obwohl vom PC kein Enable Signal gegeben wird). Die Achsen bewegen sich nicht, von daher ist
das nicht überaus problematisch. Die Sache mit dem Relais hingegen schon, da ich den Fräsmotor eigentlich darüber schalten möchte. Das habe ich aber deswegen verworfen, einen plötzlich
anlaufenden Motor (womöglich gerade beim Werkzeugwechsel) kann ich wirklich nicht gebrauchen!
Sonst macht die Steuerung einen guten Eindruck. Preis-/Leistungsverhältnis ist meiner Meinung gut. Der Kauf über den Onlineshop lief absolut Problemlos und auch der Support (E-Mail & Telefon)
ist gut und schnell. Für eine Low-Cost Maschine würde ich die Steuerung wieder kaufen, sobald es etwas anspruchsvoller wird, würde ich allerdings andere Steuerungen bevorzugen (allein wegen der
Sache mit dem Relais).
Die Endschalter sind einfache Taster, welche als Öffner ausgelegt sind. Im Falle eines Defekts (z.B. Kabel durchtrennt) geht die Maschine so sofort in den EStop. Als Referenzschalter sind auf
allen Achsen induktive Näherungsschalter verbaut, welche eine höhere Wiederholgenauigkeit als mechanische Taster besitzen.
Der Fräsmotor
Nach anfänglichen Versuchen mit einem günstigen Multifunktionsschleifer (Umgangssprachlich "Dremel" ;) habe ich schnell gemerkt, dass etwas stärkeres her muss. Der günstige Schleifer hat sehr viel Spiel in den Lagern, ist schlecht gewuchtet und hat einen miserabelen Rundlauf. Außerdem werden gefühlt 80% der Leistung in Lärm und Hitze verwandelt. Sobald man mit einem 3 mm Fräser wenige Zehntel Kunststoff fräst, geht die Drehzahl extrem in die Knie.
Abhilfe schafft eine Kress 1050FME (-1) mit knapp über 1kW Leistung. Mit vernünftigen Spannzangen, einem zertifizierten Rundlauf mit wenigen µm Rundlauffehler und der hohen Leistung machen die Fräsarbeiten deutlich mehr Spaß und liefern gute Ergebnisse. Durch die auswechselbaren Spannzangen können auch Fräser mit größeren Schaft aufgenommen werden, was bei dem günstigen Schleifer nicht möglich war.
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