1 Jahr CNC 🎂

Ein Jahr ‘Zerspanobert’, meine PortalfrĂ€smaschine

Wir schreiben MĂ€rz 2023. Meine CNC-Maschine ist seit einem Jahr in Betrieb. Es war ein gutes Jahr. Ich habe eine Menge gelernt und hatte viel Spaß beim Schreiben von Artikeln ĂŒber meine Fortschritte. NatĂŒrlich konnte ich nicht jedes Projekt das ich in dieser Zeit durchgefĂŒhrt habe dokumentieren bloggen, dennoch soll dieser Artikel das Jahr ein wenig Revue passieren lassen

Die Maschine

Ich kann inzwischen sagen, dass ich die richtige Maschine fĂŒr meinen Bedarf ausgewĂ€hlt habe. Es handelt sich um die zweitgĂŒnstigste Maschine von Sorotec. Sie bietet viele Eigenschaften “gehobenerer” PortalfrĂ€smaschinen, wie z.B. Kugelumlaufspindeln, 3Nm Stepper, 48V Kleinspannungsschiene, vorgespannte LinearfĂŒhrungen. Um den Preis moderat zu halten, wurde allerdings auf andere Dinge verzichtet. So besitzt sie weder Riemenantriebe fĂŒr die Schrittmotoren um Platz zu sparen noch doppelte LinearfĂŒhrungen an der Z-Achse oder zusĂ€tzliche Versteifungen fĂŒr Portal, Z-Achse und Hauptrahmen.

Bild: Detailansicht Z-Achse

Deshalb muss man wissen, welche Lasten grenzwertig sind und sich etwas zurĂŒckhalten. Aber das gilt wahrscheinlich auch fĂŒr steifere Maschinen - sie heben nur die Grenzen an. Was bei meiner Einstellung schnellere VorschĂŒbe oder höhere Schnitttiefen verhindert, ist der OberfrĂ€senmotor und die Art und Weise, wie er an der Z-Achse befestigt ist.

Der Motor ist eindeutig ĂŒberfordert mit

  • Birke Multiplex, VollnutenfrĂ€sen, 6mm FrĂ€ser 2-schneidig, S24000, Z+12mm, F4000
  • HPL, VollnutenfrĂ€sen, 6mm FrĂ€ser 2-Schneide, S24000, Z+6.5mm, F3500
  • Aluminium AlMg1, VollnutenfrĂ€sen, 6mm FrĂ€ser einschneidig, S24000, Z+3mm, F1600

Wenn jedoch Schnitttiefe und/oder den Vorschub reduziert wird, kann die Maschine die Arbeit sehr gut ausfĂŒhren. Die Genauigkeit der Maschine ist ziemlich gut; die wirklich begrenzenden Faktoren sind hier die manuelle Bestimmung des WerkstĂŒcknullpunkts sowie der WerkzeuglĂ€ngensensor aber nicht die Maschine selbst.

Der Vakuumtisch eröffnete die Welt der feinen Gravuren mit Graviersticheln und V-FrĂ€sern. Das Problem war vorher, dass die Verformung des WerkstĂŒcks und Ungenauigkeiten des Arbeitstisches dazu fĂŒhrten, dass die Gravuren von sehr unterschiedlicher QualitĂ€t waren und grĂ¶ĂŸere Toleranzen in der Breite aufwiesen, als ich erwartet hatte. Diese Probleme gibt es jetzt nicht mehr, ebenso wenig wie die zusĂ€tzliche Arbeit, Vorrichtungen fĂŒr kleine oder sperrige WerkstĂŒcke herzustellen. Das Halten und Spannen wurde um ein Vielfaches einfacher. Außerdem konnte ich die Z-Sicherheitshöhe reduzieren, was FrĂ€sarbeiten um bis zu 20 % beschleunigte.

Ich konzentrierte mich darauf, die Bearbeitungszeit so weit wie möglich zu reduzieren, damit ich nicht mehr Zeit als nötig mit der Überwachung der Maschine in der kalten Werkstatt verbringen musste. Deshalb habe ich die Maschine und die FrĂ€ser absichtlich an ihre Grenzen gebracht was Eilganggeschwindigkeit, Vorschub und Schnitttiefe angeht. Als ich diese Grenzen herausgefunden hatte, drosselte ich die Parameter um 20-30 %, um auf Nummer sicher zu gehen und die Wiederholgenauigkeit hoch zu halten.

Upgrades

Ich habe die Maschine mit einem Vakuumtisch aufgerĂŒstet und konnte viel ĂŒber HaltekrĂ€fte und Volumenstrom lernen, was zĂŒ meinem Artikel zur Auswahl der geeigneten Vakuumlösung fĂŒhrte. Ich habe Schwerschaummatten zur Vibrations- und SchalldĂ€mmung installiert. Man kann sie im Bild unten etwas schlecht erkennen, aber der gesamte Arbeittisch ist mit DĂ€mmmatten unterfĂŒttert.

Image: Accessories and machine controller

Außerdem habe ich eine Absauganlage mit Zyklonabscheider installiert, die wĂ€hrend des FrĂ€svorganges lĂ€uft. Die Menge an SpĂ€nen, die die FrĂ€se produziert ist wirklich erstaunlich und so bin ich froh, dass ich die Anlage bereits seit Beginn meiner Arbeiten zur VerfĂŒgung habe.

Bald werde ich eine HF-Spindel statt meinem OberfrÀsmotor einbauen und so Vibrationen, Toleranzen und GerÀuschpegel weiter verringern. Letztendlich sollte ich damit die Vorschubwerte erreichen, die ich oben angegeben habe.

Materialien

Ich habe mit Hartholz, Multiplex, MDF, Acrylglas (PMMA), Polystyrol, Hochdrucklaminaten (HPL) und Aluminium-Komposit gearbeitet.

Image: Material samples that I worked with

Bei all diesen Werkstoffen musste ich lernen, wie sich die Materialien verhalten und mit welchen Parametern die FrĂ€ser betrieben werden mĂŒssen, um qualitativ hochwertige Ergebnisse zu erzielen. Einige Materialien waren so anspruchsvoll, dass meine Maschine ĂŒberlastet war, bei anderen hatte ich Vibrationsprobleme oder Probleme, die gewĂŒnschte QualitĂ€t zu erreichen. Aber ich konnte immer aus FehlschlĂ€gen lernen und meine AblĂ€ufe verbessern, um sie in Zukunft zu vermeiden.

Bild: Acryl-Absaugschlauchhalter

Das Bild oben zeigt eine Absaugschlauchklemme aus PMMA (Acrylglas), die ich an der Z-Achse meiner CNC angebracht habe. Ich habe recht lange dafĂŒr gebraucht, die minimalen Fasen genau richtig hinzubekommen und SchlichtvorgĂ€nge angewendet, wo ich glaubte, dass sie eine bessere OberflĂ€chengĂŒte bieten könnten.

Software

Bild: Hauptbildschirm der Qr-codengrave-App Ich habe die Makros der Maschine sowie die Kinematikparameter optimiert, und sogar eine vollstÀndige Anwendung, mit der die CNC QR-Codes in praktisch jedes Plattenmaterial gravieren kann, programmiert. Diese QR-Codes werden von Handykameras bestens erkannt.

Als meine Gravurprojekte immer komplexer wurden, stĂŒrzte mein CAM-System bei der Berechnung der Pfade fĂŒr die Bearbeitung mehrerer Exemplare stĂ€ndig ab. Daher musste ich die Aneinanderreihung manuell durchfĂŒhren, was mich dazu brachte, mich mit Koordinatenverschiebungsbefehlen wie G54...G59.3, G68 und G92 zu beschĂ€ftigen, die, wenn sie nicht richtig verstanden werden, die WerkstĂŒcke arg in Mitleidenschaft ziehen. Dies half mir, die numerische Steuerung und ihre Interpretersprache besser zu verstehen.

Nicht zuletzt war die Lernkurve, die ich durch die Arbeit mit FreeCAD und Estlcam durchlaufen musste, ziemlich steil. Aber da musste ich durch, sonst hÀtte ich meine Teile nicht fertigen können.

Hilfe und UnterstĂŒtzung

Zum GlĂŒck hatte ich immer Leute, die mir helfen wollten und konnten. Meine Frau war immer fĂŒr mich da und erlaubte mir, mir Zeit dafĂŒr zu nehmen, und meine Kinder besuchten mich hĂ€ufig im Keller, so dass ich nie einsam war. Mir meiner Frau und einigen guten Freunden konnte ich immer reden, mir Rat geben lassen, wenn die Arbeit frustrierend wurde. Aber auch von kommerzieller Seite hatte ich hervorragende UnterstĂŒtzung:

Bild: Sorotec Logo Vielen Dank an Willy, Roy und Alex von Sorotec fĂŒr RatschlĂ€ge, Tipps und Tricks, die mir geholfen haben, meine Maschine zu handhaben und eine bessere Lebensdauer aus den FrĂ€sern herauszuholen. Ich habe den direkten Telefonsupport und die schnellen Bearbeitungszeiten fĂŒr FrĂ€serlieferungen und Garantiereparaturen geschĂ€tzt. Ich besuche auch gerne das hobbyline CNC forum fĂŒr Diskussionen und um meine Geschichten dort zu veröffentlichen und zu diskutieren. So kann ich der Gemeinschaft etwas zurĂŒckgeben.

Bild: EdingCNC Logo Auch Dank an das Team von EdingCNC, vor allem an Iwona und Pim fĂŒr Ihre schnellen und ausfĂŒhrlichen Antworten auf Support-Tickets und Controller-Software bezogene Fragen.

Bild: Stritzelberger Logo Vielen Dank an Jo von Stritzelberger fĂŒr stundenlange Diskussionen ĂŒber gute Lösungen fĂŒr meinen Vakuumtisch und Zubehör.

Bild: vhg logo Von vhf möchte ich mich bei Frau Dressner fĂŒr die Zeit und die hĂ€ufigen GesprĂ€che ĂŒber SchnittqualitĂ€t, Optimierung der VorschĂŒbe und Geschwindigkeiten fĂŒr SchaftfrĂ€ser des Unternehmens sowie Beratung ĂŒber MaterialfrĂ€sstrategien bedanken.

Bild: Benezan-Logo Ein weiterer Dank geht an Nicolas von Benezan Electronics fĂŒr seine UnterstĂŒtzung bei der Analyse eines Problems mit dem Signal-Breakout-Board und schließlich dessen Austausch.

Bild: Gossen Metrawatt Logo Dank an Herrn Leibold von Gossen Metrawatt fĂŒr seine Hilfe bei der Auswahl eines guten Instruments zur Messung von Spannungsspitzen und der Leistungsaufnahme des Systems.

Bild: Spinogy-Logo Vielen Dank an Dominik von Spinogy, mit dem ich ĂŒber ein halbes Jahr lang telefoniert habe, um ein geeignetes Spindel-Upgrade und Zubehör fĂŒr meine Maschine auszuwĂ€hlen.

Bild: CadAsCam Logo Abschließend möchte ich mich bei Achim von CadAsCam bedanken, fĂŒr die freundliche Aufnahme von Software-VerbesserungsvorschlĂ€gen, die Beantwortung grundlegender Fragen und die extrem schnelle Reaktion mit Software-Updates und Korrekturen. Außerdem war euer kostenloser 2-Tages-Workshop große Klasse!

Laufzeit und AuftrÀge

Innerhalb eines Jahres habe ich 200 AuftrĂ€ge mit einer Gesamtlaufzeit von knapp 18 Stunden gefertigt. Wenn ich Einrichten der FrĂ€se auf die Jobs, Montage des WerkstĂŒcks und so weiter einbeziehe, kann man die Stundenzahl verdreifachen. Bezieht man zusĂ€tzlich meine Arbeitsstunden in CAD und CAM mit ein, wĂ€re die Zahl locker nochmal zu verdoppeln - Man sieht also, dass so ein Hobby zu einem wahren Zeitfresser werden kann - umso wichtiger ist es dann, dass es Spaß macht.

Wie viel Zeit mich Aufbau, Wartung und Pflege der Maschine gekostet haben? Ich weiß es nicht genau. Aber ich schĂ€tze, dass es auf Augenhöhe liegt mit dem Betreiben dieser Website, wo die Erstellung von Inhalten fĂŒr eine Minute Lesedauer mich in etwa eine Stunde in Beschlag nimmt.

Bild: CNC-Softwareanzeige

Außerdem habe ich viele Stunden damit verbracht, online nach MaterialmessgerĂ€ten und FrĂ€sern zu suchen, RatschlĂ€ge in Foren einzuholen und zu erteilen, nach Maschinen-Upgrades zu suchen und Videos darĂŒber anzusehen, wie andere Leute ihre CNCs benutzen.

Mein derzeitiger Favorit (Stand: MĂ€rz 2023) ist ĂŒbrigens von CNC Connect (youtube link). Ich werde nicht versuchen, mich damit zu vergleichen - denn ich bin ja kein Profi - aber ich bin immer wieder beeindruckt von Menschen und Herstellern, die ihr Handwerk verstehen.

Kosten

Das CNC-Hobby ist teuer, sowohl in Bezug auf Geld als auch auf Zeit. In meinem Fall habe ich fast 13.000,00€ 😹 in die Maschine, ihr Zubehör, die Spindel, den Maschinentisch, die Stromversorgung und die SchutzausrĂŒstung, die Beleuchtung, die numerische Steuerung, den Laptop, die CAD/CAM/CNC-Software, die SchalldĂ€mmung, die Werkzeuge zum Bau der Maschine, die Absauganlage, die persönliche SicherheitsausrĂŒstung usw. investiert.

Und dabei habe ich noch nicht einmal die Kosten fĂŒr SchaftfrĂ€ser erwĂ€hnt.

Kurz vor dem Kauf denkt man: “Die Maschine an sich ist nicht allzu teuer”. Aber sobald man sich zum Kauf entschließt, werden sofort weitere Dinge erforderlich. Ich habe fast immer “B” gesagt nachdem ich “A” rief, bin nur wenige Kompromisse bei der QualitĂ€t der AusrĂŒstung eingegangen und habe mich nicht auf ein Material spezialisiert, was die Kosten geringer gehalten hĂ€tte.

Ich war fasziniert von den verschiedenen Materialien und ihren Eigenschaften, und es war immer eine Freude, wenn ein Teil wirklich gut wurde, unabhÀngig von dem Material, aus dem es bestand.

Misserfolge und Lösungen

Hier ist eine Liste grĂ¶ĂŸerer Probleme, die ich im letzten Jahr erlebt habe.

OberfrĂ€senmotor fĂ€llt aus bzw. Wackelkontakt im Betrieb. Ⓜ

Dieses Problem war in Hartholz und Multiplex nach nur 8h Spindelbetrieb reproduzierbar. Die Lösung war der Einbau einer neuen Elektronikplatine, die Maffell kurzerhand lieferte.

Die Geschwindigkeit des OberfrĂ€senmotors fĂ€llt mitten im Auftrag auf die Mindestdrehzahl Ⓜ

Dieses Problem war ebenfalls reproduzierbar und hatte zwei Ursachen:

Bild: Notschalter-Detailansicht

  • Der Not-Aus-Schalter hatte einen geringen Auslöseweg, so dass kurze Kontaktprellungen möglich waren. Der Schalter ist auf dem Maschinentisch montiert und konnte durch Maschinenvibrationen ausgelöst werden. Ich habe dies behoben, indem ich die Position des Mikroschalters im GehĂ€use so verĂ€ndert habe, dass der Schalter nicht vorzeitig ausgelöst wird.
  • Auf der Breakout-Platine, die das analoge 0-10V-Signal aus dem Pulsbreitenbefehl der CNC erzeugt, war ein falscher OperationsverstĂ€rkertyp montiert (nicht RTR). Unter noch unbekannten UmstĂ€nden (vielleicht Kontaktprellen des Notschalters?) kam es bei diesem Teil zu einem “Latch-up”, so dass die Geschwindigkeit des OberfrĂ€senmotors auf die niedrigste Einstellung fiel. Ein neues Signal-Breakout-Board wurde montiert und das Problem war damit behoben.

CNC Meldung: “The Velocity was higher than max!” ⚠

Dieser Fehler trat bei einigen Gelegenheiten auf. Sie waren alle unangenehm. Einmal habe ich meine Maschine zu schnell bewegen lassen (gleichzeitig 240mm/s auf XY, 110mm/s auf Z), was dazu fĂŒhrte, dass sie quietschte und eine Menge Schritte verlor, die sich in den Zentimeterbereich summierten.

Bild: Übertaktete Maschinenkinematik, die zu Problemen fĂŒhrte

Ein anderes Mal, als ich weniger hohe (aber im Nachhinein immer noch zu hohe) Geschwindigkeitswerte eingegeben hatte, machte ich einen Fehler, indem ich Eilgang “G00 Xxx Yyy Zzz” fĂŒr alle Achsen gleichzeitig befahl, was dazu fĂŒhrte, dass die Maschine beim Abbremsen Schritte verlor und auf der Z-Achse an den mechanischen Endanschlag stieß. GlĂŒcklicherweise war es die obere Anschlag, so dass weder die Spindel noch die Maschine bzw. Maschinenbett beschĂ€digt wurden. Nur die Schrittmotorkupplung rutschte durch. Uff.

Der Grund dafĂŒr: Die maximale Impulsfrequenz fĂŒr kombinierte Achsenbewegungen betrĂ€gt bei meinem Controller 125kHz. Ich dachte, das sei pro Achse. Das ist falsch. Ich habe das mit dem Hersteller der numerischen Steuerung abgeklĂ€rt. Ich musste die Geschwindigkeitswerte der Achsen neu einstellen, um kombiniert unter 125kHz zu bleiben.

Um neue Werte zu finden, habe ich mir meine bisherigen AuftrĂ€ge angesehen. Ich verliere mehr Zeit bei schnellen Bewegungen der Z-Achse als bei den anderen beiden Achsen. Deshalb habe ich das Hauptaugenmerk auf die Z-Achse gelegt, um sie schnell und mit hoher Beschleunigung zu fahren, wĂ€hrend ich die Werte fĂŒr die X- und Y-Achse reduziert habe. Dabei ist zu beachten, dass die Z-Achse aufgrund ihres kĂŒrzeren Kugelumlaufgewindes auf meiner Maschine die doppelte Auflösung hat, so dass die Werte verdoppeln mĂŒssen, um sie mit den anderen Achsen vergleichen zu können.

Bild: Abgestimmte Maschinenkinematik zur Behebung des Problems

Dies alles geschah nach der Verbesserung der FertigungsqualitÀt, die ich hier dokumentiert habe. Diese Werte liefern also nachweislich gute Ergebnisse und werden von mir nicht mehr leichtfertig verÀndert.

Kollision der Maschine mit dem Vakuumtisch đŸ’„

Bild: 6mm FrÀsspuren in meinem brandneuen Vakuumtisch

Nun, das hat mich wirklich verÀrgert. Ich hatte den Tisch noch nicht einmal zwei Wochen, und schon jetzt hatte ich ihn beschÀdigt. Das Schlimmste war, dass ich nicht verstand, warum.

Alles, was ich wollte, war 18mm Birke Multiplex zu frĂ€sen. Ich ließ den SchruppfrĂ€ser den Umriss erstellen, sah mich aber mit einem Problem konfrontiert, das mich dazu brachte, den Not-Aus zu drĂŒcken, als der Vorgang bereits abgeschlossen war (beim ZurĂŒckfahren zu XY0 wĂ€re der FrĂ€ser auf ein Hindernis gestoßen). Ich korrigierte den Pfad und setzte die Maschine zurĂŒck. Ich wechselte das Werkzeug zum Schlichten und startete den Auftrag.

Als ich merkte, dass die Maschine ungewöhnliche GerĂ€usche von sich gab, betĂ€tigte ich den Not-Aus. Aber bei ĂŒber 4000mm/min zum Schlichten war ich nicht schnell genug, um zu verhindern, dass die Maschine durch den Vakuumtisch frĂ€st.

Ich schaute mir den Arbeitsversatz fĂŒr die Z-Achse im Variablenspeicher fĂŒr G92 an. Er war korrekt. Ich suchte in den flĂŒchtigen Variablen der CNC. Alle stimmten mit meinen Erwartungen ĂŒberein. Dann begann ich, in den Logdateien der Maschine zu suchen. GlĂŒcklicherweise habe ich das obige Bild direkt nach diesem Vorfall gemacht, so dass es nicht schwer war, die richtigen Protokollzeilen herauszufinden.

Bild: Logdatei mit WerkzeuglÀngenmessungen

Man kann erkennen, dass die WerkzeuglĂ€nge sowohl fĂŒr den Schrupp- als auch fĂŒr den StandardfrĂ€ser gemessen wurde. Der StandardfrĂ€ser ragt um etwa 3,4 mm weiter heraus. Das ist genau die Tiefe, die mir jetzt auf meinem Vakuumtisch fehlte.

Dennoch hatte ich keine Ahnung, warum die Maschine die aktualisierte WerkzeuglĂ€nge nicht berĂŒcksichtigte. Also habe ich mir das Makro fĂŒr den Werkzeugwechsel angesehen.

Bild: Makro mit WerkzeuglÀngenmessroutine

Man kan sehen, dass Variable #3501 speichert, ob bereits eine WerkzeuglÀnge gemessen wurde. Wenn dies der Fall ist, kann einfach die neue WerkzeuglÀnge gemessen und die Differenz zwischen den beiden Werten als Z-Achsen-Korrektur gespeichert werden. Dann wird das Programm mit dem neuen Werkzeug fortgesetzt.

Das Problem ist, dass die Variable #3501 flĂŒchtig ist, wie ein Blick in das Handbuch der Steuerung zeigt. Und es scheint, dass flĂŒchtige Variablen nicht nur zurĂŒckgesetzt werden, wenn die Anwendung geschlossen wird, sondern auch, wenn der Not-Aus gedrĂŒckt wird.

Ausgehend von meinen vorherigen Aussagen hatte ich das folgende Problem: Das DrĂŒcken des Not-Aus löschte den Wert dieser Variablen, behielt aber die ursprĂŒngliche Z0-Höhenmessung bei, die ich ganz am Anfang vor dem Einsatz des Schruppwerkzeugs vorgenommen hatte. Anstatt also die Höhenkorrektur mit dem neuen Werkzeug zu aktualisieren, um der neuen WerkzeuglĂ€nge Rechnung zu tragen, dachte das Makro, dass dies das erste verwendete Werkzeug sei und speicherte einfach dessen LĂ€nge in der Variablen #4501 (weil man - logisch - keine Differenz nehmen kann, wenn man vor dem ersten Werkzeug kein Werkzeug vermessen hatte).

Das allein hÀtte den Vorfall gar nicht verursacht, wenn der neu eingesetzte FrÀser nicht zufÀllig weiter aus der Spannzange herausgeragt hÀtte als der vorherige.

Bild: Zwischenlösung war die Änderung des Makros

Ich löste das Problem, indem ich dem Makro eine Meldung hinzufĂŒgte, wenn es nur die WerkzeuglĂ€nge speicherte, aber nicht den Versatz der Z-Achse Ă€nderte. Auf diese Weise habe ich zumindest einen Hinweis darauf, dass etwas schief gehen könnte.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend kann ich sagen, dass ich die CNC weiterhin benutzen werde. Ich werde nach und nach weiter dazulernen. Und ich werde mein Wissen darĂŒber vertiefen, wie Software mit Mechatronik interagiert, die physikalische Materie verĂ€ndert, wie es ‘Zerspanobert’ tut. Ich werde versuchen, aufzuschreiben, was ich gelernt habe, damit andere meinen Spuren folgen können, wenn sie wollen.

Ich hoffe, dass ich einen guten Kontakt zu anderen Bastlern, Herstellern und zu den Firmen, mit denen ich bisher zusammenarbeiten durfte, aufrechterhalten kann (und vielleicht noch einige weitere zu meiner Liste hinzufĂŒgen können werde).

Bis bald! Schallbert