CNC on Schallberts Blog

Edelstahl V2a bzw. AISI304 gravieren

Schallbert — Sun, 08 Mar 2026

Warum dieser Versuch?

Ich wurde gefragt, ob ich einen Hilfsanker für eine Segelyacht gravieren könne. Dieser Anker ist aus 10mm starkem Edelstahlblech gefertigt und passt mit Maßen von 389x630mm auf meine Maschine.

Ich habe noch nie mit dem Material gearbeitet und bin so neugierig, dass ich den Auftrag annehme.

Das Material

Der Anker besteht aus Edelstahl der Sorte AISI304. Andere Namen für diese Legierung sind 18/10, 18/8 bezogen auf ihren Chrom/Nickel-Gehalt oder V2A/A2 nach ihrer Entwicklung aus der Versuchsschmelze bzw. ihre Herstellung “Air hardened” und der Legierungsgruppe. Sie ist verhältnismäßig gut formbar und wird daher häufig in industriellen Anwendungen genutzt.

Dieser Edelstahl hat für die spanende Bearbeitung jedoch ein paar Nachteile: Seine Wärmeleitfähigkeit ist recht gering. Daher geht wenig Wärme ins Material, was den Fräser umso heißer werden lässt. Dazu ist das Material zäh. Der Span löst sich nicht gut vom Werkzeug, es entsteht leicht eine Aufbauschneide. Das erzeugt Unsauberkeiten in der Fräsbahn. Schiebt der Fräser Späne vor sich her, wird das Material nicht vollständig geschnitten und es neigt zur Gratbildung. Außerdem ist der Edelstahl kaltverfestigend: Reibt oder Steht der Fräser am Material, verändert der von ihm ausgehende Druck die Materialoberfläche. Sie wird härter als das Werkzeug selbst.

All diese Eigenschaften zusammengenommen sorgen für hohen Werkzeugverschleiß und großen Kühlbedarf. Die Schnittparameter müssen außerdem in einem engen Korridor gehalten werden.

Das Werkzeug

Ich wähle einen Gravierfräser von vhf speziell für die Bearbeitung von Edelstahl. Mit 6mm Schaftdurchmesser, jedoch nur 4mm Schneidendurchmesser, einer kurzen geraden Schneide, 60° Gravurwinkel und 0.4mm Spitzendurchmesser wirkt das Werkzeug gedrungen und stabil. Der Fräser ist mit einer AlTiN-Beschichtung versehen.

Ob die dünne Spitze den Fräskräften und der Wärmeentwicklung standhält?

Diskussion um Fräsparameter

Im Forum cnczone.nl frage ich nach Erfahrungswerten für Tiefenzustellung, Vorschub und Drehzahl für meinen Vollhartmetallfräser.

Die Internetrecherche¹ liefert mir eine Ziel-Schnittgeschwindigkeit für AISI304 von etwa 60m/min und einen Zahnvorschub zwischen 0.02mm und 0.05mm.

Außerdem rufe ich den Fräserhersteller an und frage nach Empfehlungen für optimalen Einsatz auf einer weichen Maschine wie meiner. Der Hersteller sagt, ich müsse unbedingt kühlen. Idealerweise mit reichlich Emulsion auf dem Material. Seine Empfehlung lautet für den ersten Versuch und mit dem Fräser:

S15000 F600 Z-0.1 (vhf-Beratung)

Bei Gravuren seien häufige Richtungswechsel zu erwarten, und Ziel solle es sein, die Maschine möglichst gleichmäßig und mit kurzen Beschleunigungswegen zu führen. Das würde Rattermarken weitestgehend vermeiden.

Aus dem Forum erhalte ich Werte zwischen F240 und F800 bei maximaler Spindeldrehzahl.

Meine Erfahrungen bei der Verarbeitung von Stahl aus vorherigen Artikeln SECC fräsen und Stahl bearbeiten lasse ich einfließen und stelle einen Zahnvorschub von 0.04mm ein. Ich passe die Drehzahl der Schnittgeschwindigkeit von 60m/min an. Ich fahre gern zügig durch das Material, stelle in der Tiefe aber nur sehr vorsichtig zu. Dies ergibt für die vorliegende Schneidengeometrie folgende Werte:

S30000 F1200 Z-0.1 (Schallbert)

Damit liege ich mit Drehzahl und Vorschub genau beim Doppelten der Empfehlung von vhf. Ich wähle den Vorschub so zügig, damit ich weniger Reibungshitze am Fräser erzeuge und mehr Wärme in den Span geht. Die Tiefenzustellung halte ich gering, weil die auf die Konstruktion wirkenden Kräfte so niedriger sind. Davon verspreche ich mir eine höhere Gravurgenauigkeit und bessere Details.

Die Gesamttiefe der Gravur lege ich auf 0.2mm fest.

Einfluss der Maschinenkinematik

Wie oben beschrieben werden Drehzahl und Vorschub aufeinander eingestellt. Dabei ist es wichtig zu prüfen, ob der eingestellte Vorschub überhaupt erreicht werden kann. In Abhängigkeit von der Beschleunigungsfähigkeit der Maschine sowie Größe und Form der Gravur kann es nämlich sein, dass die Maschine durch die vielen Richtungswechsel im Schnitt mit viel geringerem Vorschub unterwegs ist.

Daher sind Drehzahl und Vorschub an die real erzielbaren Werte anzupassen. Diese können mit der Maschine im Simulationsmodus beobachtet werden. In meinem Falle ist die Maschinenbeschleunigung im Verhältnis zur Größe der Gravur so hoch, dass ich fast immer in Zielgeschwindigkeit operieren kann. Beispielrechnung gefällig?

Die Maschine benötigt folgende Zeitspanne, um vom Stillstand auf den eingestellten Vorschub von F1200 zu kommen:

$$a_{machine} = 400\frac{mm}{s^2}, v_{feedrate} = 1200\frac{mm}{min} = 20\frac{mm}{s}$$$$t = \frac{20}{400} = 50ms$$

Ich habe also nur sehr kurze Zeiten, in denen die Maschine mehr am Material reibt als schneidet.

Vorbereitung des Gravurvorganges

Ich verarbeite nur ganz selten Metall. Ich habe also keine fertige Schneid- oder Kühlemulsion vorliegen. Als Ersatz nehme ich Ballistol-Spray und etwas Wasser zur Hand. Das Öl reibe ich in die Oberfläche ein. Hinzu füge ich für die Fläche von 10x15cm etwa ein Esslöffel Wasser. Beides bildet zu meinem Erstaunen von selbst eine Emulsion.

Ich habe vor, den Anker per Vakuum zu spannen und bringe ihn mittels Passstiften auf dem Frästisch mittig in Position. Die Aussparungen für Griff und Stieleinsatz schließe ich mit beschichtetem Butterbrotpapier (Pro-Tipp! Günstig, super reißfest, umweltschonend, fast luftdicht, gut zu verarbeiten).

Nach Einschalten der Vakuumpumpe muss ich leider feststelen, dass der Anker auf einer Seite nicht ganz plan aufliegt. Ich bekomme statt -0.7bar nur knapp -0.4bar hin. Das ist für die bei der Gravur wirkenden, geringen Kräfte nicht dramatisch. Die Linienbreite allerdings wird so kaum konstant zu halten sein.

Meine Lösung ist nun, das Fräsmotiv herunter zu skalieren. Durch die geringere Größe wirken sich Unterschiede in der Linienbreite kaum noch aus.

Durchführung

Bevor ich die Gravur durchführe lasse ich die Maschine im Simulationsmodus laufen. Dabei entdecke ich noch zwei sehr langsame Eintauchvorgänge. Das CAM erstellt sie vermutlich wegen der von mir eingestellten Eintauchrampe, welche auf sehr kurzen Linienzügen erfolgt. Dies korrigiere ich mit manuell vorgegebenen Eintauchpunkten.

Nun lasse ich den Fräsjob durchlaufen. Die Emulsion bleibt trotz Spindelgebläse an Ort und Stelle. Die Geräuschentwicklung ist bei der ersten Tiefenzustellung weit geringer als bei der Zweiten - wird jedoch nie unangenehm. Vibrationen treten kaum auf. Der Fräsvorgang dauert auch bei dem aufwendigeren Logo kaum fünf Minuten.

Ergebnis

Ich bin hochzufrieden. So ein gutes Ergebnis hatte ich auf meiner Hobbymaschine auf Basis meiner Beobachtungen in den Foren nicht erwartet. Praktisch keine Rattermarken, saubere Fräskanäle und nur an den Stopp- und Austauchpunkten leichte Gratbildung. Das Material bleibt jedoch im Fräskanal und erzeugt keine fühlbaren Kanten. Auch im Detail ist das Fräsbild noch ziemlich ansehnlich.

Das folgende Video zeigt ein paar Details des Fräsvorganges. Meine letzte offene Frage: Ist das leicht raue Geräusch des Fräsers bei der zweiten Tiefenzustellung ein Hinweis auf größeren Werkzeugverschleiß durch Materialverfestigung?

Engraving Stainless Steel↗

Quelle1: VNT Hardware Quelle2: Machiningdoctor Quelle3: CNC Optimization ↩︎

Werkzeugvermessung automatisieren

Schallbert — Tue, 10 Feb 2026

Mich erreichen immer wieder Fragen zu meinem Post über CNC-Makros. In diesem Beitrag möchte ich ein paar Antworten geben und Details zur Vermessung und Kompensation verschiedener Werkzeuglängen teilen.

Frage: Wie berechnet das Makro die Werkzeuglänge?

Im Abschnitt Werkzeuglänge Vermessen steht folgender Code:

1 G53 G00 Z[zSafety] ; # Go to safety height (machine coordinates)
2 G53 G00 X[xPosTls] Y[xPosTls] ; # Go to tool length sensor
3 G53 G00 Z[zSpindleTip + toolLengthEst + 10] ;# Move Z down to 10mm above estimated tool tip

Was passiert in den Zeilen 1-3? Wenn Z=0 im Maschinenkoordinatensystem (G53) die höchste Position ist, sind zSpindleTip und toolLengthEst dann negative Werte?

Antwort:

Diese Zeile fährt die Maschine zum in Variable #4506 hinterlegten Wert. Bei mir ist er 0, also maximale Z-Höhe. Dieser Wert bleibt permanent gespeichert (siehe hier) und man muss ihn vorher im Makro-Setup-Dialog festlegen.
Führt eine Bewegung zum Werkzeuglängensensor (WZLS) im Maschinenkoordinatensystem aus. Dafür habe ich meinen Sensor an einem festen Punkt auf der Maschine platziert.
Mit zSpindleTip (Variable #4509) ist die Höhe auf der Z-Achse gemeint, in der die Spindelnase den Werkzeuglängensensor freitastet. Dieser Wert ist negativ. Weshalb? Der größte Wert der Z-Achse ist Null, wenn sie sich ganz am oberen Anschlag der Maschine befindet. Senkt man dia Achse von hier aus zum WZLS ab, bewegt man sie in negative Z-Richtung. Addiert man die geschätzte Werkzeuglänge toolLengthEst sowie eine Sicherheitshöhe von 10mm dazu (falls man sich bei der Werkzeuglängenschätzung vertan hat), bleibt aber unter dem mechanischen Anschlag der Z-Achse, so ist der Wert noch immer negativ. Die Spindelnase hat nun aber genügend Luft zum WZLS, weil jetzt virtuell Werkzeug und Sicherheitshöhe hinzuaddiert wurden.

Pro Tipp: Im “Variables” Tab von EdingCNC kann man sich Werte von Variablengruppen anzeigen lassen. Man gibt eine Gruppe ein, z.B. #4500 und erhält die Live-Werte aller zehn Variablen.

Um das gut nachvollziehen zu können bietet sich an, die CNC-Software zum Ausprobieren nebenbei im Simulationsmodus laufen zu lassen. Konkretes Beispiel:

zSafety = 0 ;# machine coordinates, Z-axis at top notch
zSpindleTip = -86.43 ;# machine coordinates, where empty spindle collet touches TLS
toolLengthEst = 35 ;# the length the tool is protruding from spindle collet

G53 G00 Z[-86.43 + 35 +10] # = -41.32mm, so below max Z height

Die Benennung der Variablen habe ich in meinem Makro-Repository auf Github abgelegt.

Frage: Wie berechne ich die Werkstückhöhe nach einer Werkzeugvermessung?

Folgendes Szenario: Man vermisst das Werkzeug und bestimmt anschließend per Makro die Werkstückhöhe. Wenn ich nun die Werkzeuglänge verändere ohne das Werkzeugwechselmakro aufzurufen, stimmt der Werkstücknullpunkt ja nicht mehr. Mit einem kürzeren Werkzeug liegt der Nullpunkt “zu tief”, bei einem Längeren “zu hoch”.

Wie kann man dieses Problem lösen?

Antwort: Mehrere Lösungswege

Aus meiner Sicht gibt es hier drei Lösungswege.

Werkzeuglängenänderung immer über das Werkzeugwechselmakro laufen lassen. Man kann dort ja dieselbe Werkzeugnummer erneut eingeben.
Den Z-Nullpunkt über die Werkstückvermessung neu setzen (nicht empfohlen¹)
Ohne Makro: Per Kommando G92 das Z-Koordinatensystem verschieben. Beispiel folgt.

Lösung #3: Koordinatensystem verschieben

Man kann das Werkstückkoordinatensystem mit den Befehl G92 Coordinate System Offset verschieben. Führt man ihn aus, so wird die ihm übergebene Zahl der angewählten Achse als neuer Wert im Koordinatensystem übernommen.

In diesem Fall wollen wir ja nur die relative Position verschieben und damit den Unterschied der Werkzeuglängen zueinander ausgleichen. Machen wir es mal konkret:

Nehmen wir an, das alte Werkzeug T17 hat eine freie Länge von 32mm und das neue Werkzeug (wieder T17, denn wir spannen in diesem Beispiel nur um oder setzen ein Schlichtwerkzeug mit gleichen Schnittdaten ein) eine freie Länge von 24mm. Der neue Wert ist kürzer, und daher muss der Nullpunkt um 8mm nach unten wandern. “Nach unten” ist im Koordinatensystem der Z-Achse ein negativer Wert.

;# Pseudocode
;# (CamelCaseWord steht für eine Variablennummer wie #5003):
G92 Z[AktuelleZPosition + (AlteWerkzeuglänge - NeueWerkzeuglänge)]
;# 20mm + (32mm - 24mm ) = 20mm + 8mm = 28mm

Verschiebung Werkstücknullpunkt vs. Werkstückkoordinatensystem

Diese Rechnung mag erst einmal verwirren, versetzt sie das Koordinatensystem doch nach oben. Aber genau das ist erforderlich, damit der Werkstücknullpunkt relativ zur Werkzeugspitze erhalten bleibt: Das Werkzeug ist 8mm kürzer. Da wir den Werkstücknullpunkt nicht nach unten schieben, muss das Koordinatensystem halt nach oben versetzt werden. So wird die nun längere Strecke zwischen Werkzeugspitze und Werkstück kompensiert.

Coordinate System	Tool tip position Z [mm]	Workpiece position Z [mm]	Tool top position Z [mm]	Workpiece position Z [mm]
	Before shift	Before shift	After shift	After shift
Workpiece	20	0	28	0
Machine	-41.42	-61,42	-41.42	-69,42

Man sieht hier, dass sich durch das Versetzen des Koordinatensystems die Position der Werkzeugspitze im Werkstückkoordinatensystem verändert. Die Z-Achse wird dabei nicht bewegt. Das Maschinenkoordinatensystem bleibt von dieser Änderung unberührt. Da die Z-Achse nun aber einen weiteren Weg zum Werkstück zurücklegen muss, liegt seine Position im Maschinenkoordinatensystem jetzt um -8mm unter dem vorigen Wert.

Rahmenbedingungen

Die Makros funktionieren nur unter bestimmten Voraussetzungen:

Die Werkzeuglänge wurde zuvor gemessen bzw. Werkzeugwechsel werden stets per Makro gesteuert und nicht ohne “Wissen” der Maschine
Der Werkstücknullpunkt wird bei bereits bekannter Werkzeuglänge ermittelt.
Es gab keinen Not-Aus oder einen anderen kritischen Fehler. Dies würde den flüchtigen Speicher für die relevanten Variablen löschen.

Nach einem Werkzeugwechsel die Werkstückhöhe in Z erneut einzumessen verschiebt meiner Ansicht nach den falschen Parameter. In Wirklichkeit hat sich doch nicht die Höhe des Werkstückes geändert, sondern die Position der Werkzeugspitze. Daher würde ich stets vorziehen, den sich ändernden Parameter anzupassen. ↩︎

Stahlblech (SECC) bearbeiten

Schallbert — Mon, 22 Dec 2025

Das Werkstück

Es handelt sich um ein PC-Gehäuse aus 0.8mm starkem, verzinktem Stahlblech “SECC”. Es stammt aus den frühen 2000ern und wurde kürzlich mit neuem Innenleben ausgestattet.

Die Aufgabe

Durch die nun viel leistungsfähigere Grafikkarte (TDP 200W) und das beengte Design als HTPC war die entstehende Verlustwärme nicht im gewünschten Maße abzutransportieren, sodass im Gehäuse unter Last Temperaturen um 50°C vorherrschten. Das ist mir viel zu hoch.

Die Gegebenheiten

Die Grafikkarte folgt gängigen aktuellen Designs: Ein metallener Radiator bedeckt die komplette Oberfläche der Platine. Seine Rippen sind in Querrichtung zum Sockel ausgerichtet und die darauf montierten, flachen Lüfter (3x80mm) drücken die Luft durch die Leitbleche in Richtung Moainboard und Gehäusedeckel.

Zwischen Grafikkarte und Gehäusedeckel sind leider nur wenige Millimeter Platz. Nun möchte ich also genau an dieser Stelle zusätzliche Löcher in die Abdeckung einbringen. Das Gehäuse besitzt bereits Belüftungsbohrungen mit 3mm Durchmesser in einem 10x19mm 45°-Raster an den Seiten. Ich versuche nun, dieses Muster auch auf die Bohrungen für die Grafikkartenentlüftung anzuwenden. So komme ich auf eine Gesamtzahl von 133 Stück, welche ich der Bequemlichkeit wegen ungern anzeichnen, körnen und von Hand fertigen möchte.

Also erstelle ich mir eine Zeichnung im CAD und schließlich ein Bohrzyklus-Programm für meine Fräse.

Werkzeug1: 3mm-Bohrer

Ich habe zwar noch ein paar Baumarkt-Stahlbohrer aus üblichem Hochgeschwindigkeits-Schnellarbeitsstahl (HSS) herumliegen, diese befinden sich jedoch in teils schlechtem Zustand. Also nehme ich einen noch unbenutzten Stahlbohrer aus meinem Dremel-Sortiment.

Bohrparameter

Er hat eine hellgraue, metallene Färbung und sieht unbeschichteten Werkzeugen aus Vollhartmetall so ähnlich, dass ich (fälschlicherweise) annehme, er sei aus Wolframcarbid. Daher wählte ich folgende Parameter:

3mm VHM-Bohrer für Stahl, 2 Schneiden: S17000 F470 Z-0.2 Rückzug 0.5mm

Ich arbeite wie üblich komplett trocken, setze also keine Kühlschmierstoffe ein.

Bohrvorbereitung

Zur Vorbereitung des Werkstücks bringe ich auf den Abschnitt des Gehäuses Klebeband an, wo später die Löcher sein sollen. Mit der maximalen Bohrtiefe durchstoße ich das Material nur minimal. Da das Klebeband auf diese Weise intakt bleibt, verliere ich keinen Unterdruck durch offenliegende Löcher im Vakuumtisch.

Ich lege den Gehäusedeckel mit der Außenseite auf das Maschinenbett und decke freie Löcher meines Vakuumtisches mit einer Gummimatte ab. Anschließend bringe ich das Portal in eine Position nahe der Löcher, damit die Spindel im Pfadverlauf nicht mit der Gehäusewand kollidiert. Außerdem entferne ich das Anfahren der Parkposition G28 aus der Fräsdatei, denn nun liegt der Gehäusedeckel im Weg. Nach Hochziehen der Z-Achse von der letzten Bohrung endet das Programm mit M30 (Stop und zurückspulen).

Das Ergebnis

Um es vorwegzunehmen: Der Bohrer hält nicht durch. Dass etwas nicht in Ordnung ist, merke ich nach wenigen Sekunden am Geräusch der Maschine: Sie ist plötzlich viel leiser als vorher.

Ich schaffe auf diese Weise schlappe 3 von 133 Löchern. Danach befindet sich die Spitze des Bohrers in einem der halb fertiggestellten Löcher und scheint mit diesem verschweißt.

Problemanalyse

Anscheinend war der Bohrer gar nicht aus Vollhartmetall, und damit bin ich mit völlig ungeeigneten Parametern unterwegs gewesen. Ich habe die Symptome in zwei Foren gegeben (Hobbyline sowie cnczone) und ich erhalte die Information, dass ich besser mit S1000 F30 (!) unterwegs sein sollte, wenn ich ein paar mehr Löcher mit dem Bohrer hätte schaffen wollen.

Die Lösung

Ich wechsle also auf Hartmetallfräser. Ich habe nur einen in meiner Sammlung, der für Stahl gemacht wurde. Dieser hat allerdings einen größeren Durchmesser, sodass ich mein Design anpassen muss.

Nun erzeuge ich mir im CAD Langlöcher, welche mit 6mm Breite und 22mm Länge im 45°-Winkel über dem Radiator der Grafikkarte platziert sind.

Werkzeug2: 6mm VHM-Fräser

Ich wende meine bereits bewährte Frästechnik für SECC-Stahl an und verfeinere sie weiter: Hohe Spindeldrehzahl, großer Vorschub, geringe Tiefenzustellung.

6mm VHM-Fräser, AlTiN-beschichtet, 2 Schneiden, 0.2mm 45°-Fase: S10600 F880 Z-0.18

Bearbeitungsvorgang

Die Maschine arbeitet ruhig und das Werkzeug ist nach Fertigstellung, die knapp zehn Minuten benötigt, nur handwarm. Beim Eintauchen wird sie kurz lauter. Das nächste mal werde ich die Eintauchrampe noch flacher einstellen - etwa auf 5°. Damit verspreche ich mir, die untere Schneidfläche zu schonen.

Cutting SECC steel of my PC case↗

Schnittqualität

Die Schnittkanten sind gratfrei, hochglänzend und messerscharf. Daher ist eine Fase anzubringen. Dies mache ich von Hand mit Ziehklinge und Cuttermesser, was ich schnell bereue: Ich bekomme das nicht so sauber und gleichmäßig hin wie gewünscht.

Nicht so schlimm: Ich erhalte ein ordentlich gearbeitetes Gehäuse mit deutlich verbesserter Kühlung praktisch zum Nulltarif (Wenn man vom Lehrgeld absieht). In der Abbildung oben ist der Radiator der Grafikkarte klar durch die neuen Schlitze im Gehäuse zu erkennen.

Albasia-Holz fräsen

Schallbert — Mon, 06 Oct 2025

Was ist Albasia?

Albasia (Falcataria falcata) ist ein sehr leichtes Weichholz. Es kommt hauptsächlich in Südostasien vor und wächst schnell, was sein Nachhaltigkeitsrating verbessert. Seine Farbe variiert zwischen weißlich-gelb und pastelligem braun-rosa, ist im Vergleich zu Buche oder Eiche aber deutlich heller.

Hierzulande ist es meist als Multiplexplatte im Handel. Dadurch werden Nachteile wie die starke Neigung zum Schwinden und Quellen abgemildert.

Die Dichte von Albasia ist nochmal etwa 15% geringer als die des ohnehin schon sehr leichten Pappelholzes. Es bildet im Wuchs lange Fasern, was die Zerspanbarkeit beeinträchtigt. Da es durch seine vielen Lufteinschlüsse zudem gut dämmt, wird es häufig im Fahrzeugausbau (Camper, Boote etc.) verwendet. Um die geringere Festigkeit auszugleichen, wird Albasia-Multiplex oft nicht roh, sondern als Sandwich-Platte angeboten.

Mit Sandwichtechnik zu guten Materialeigenschaften

Mein Testmaterial verfügt über eine beidseitig aufgebrachte, 0.8mm starke Schicht aus Hochdrucklaminat (HPL). Die Oberfläche ist in farbigen Melamindekoren erhältlich und kann als Extra gehärtet bestellt werden, was sie mattiert sowie unempfindlich gegenüber Kratzern macht.

Sind Albasia-Verbundplatten für den Außenbereich geeignet?

“Unsere Platten sind übrigens nicht für den Außenbereich vorgesehen.” - EpicPLY, Händler

Auch wenn das Material für den Innenausbau entwickelt wurde: Ich teste die Wetterfestigkeit der Platten momentan mit einem Experiment. Dafür verschraube ich die Verbundplatte im rechten Winkel auf Stoß miteinander, sodass einmal die Beschichtung und einmal die Holzkante der Witterung direkt ausgesetzt sind. Ich habe eine offene Kante mit Hartöl versiegelt und eine unbehandelt belassen. Nun hänge ich die Konstruktion ein Jahr draußen auf den Balkon und sehe dann, wie sich das Material verhält - Update dann in einem gesonderten Post!

Versuchsaufbau für Bewetterungs- und Schraubentest.

Vorbereitung für den Schraubentest

Der zusammengesetzte Testaufbau ist zur Bewitterung angebracht.

Am Tag 0: Beide Oberflächen sehen noch frisch aus.

Meine Erwartung: anders als bei Birkensperrholz und ähnlich wie Pappelholz wird Albasia nicht für den Außenbereich taugen. Ich nehme an, dass sich die Fasern im Kantenbereich mit Wasser vollsaugen und das Material zum Quellen bringen. Dies würde es schnell verrotten lassen. Außerdem schätze ich die Gefahr für Insektenbefall als hoch ein, weil die Fasern echt weich sind und sich leicht abschälen lassen. Daher würde ich es nur in Innenräumen einsetzen.

Verschraubungen

Trotz seines leichten Kerns sei die Albasia-Verbundplatte gut zu verschrauben und würde mit einer “Schraubenauszugsfestigkeit von 120kg” bei einer 4mm-Holzschraube in einem “sehr stabilen Bereich” liegen, meint mein Händler.

Als Laie kann ich mit solchen Werten nicht viel anfangen und führe ein kleines Experiment durch. Ich nehme eine 4x35 Holzschraube her und schaue mir die vorgesehenen Anzugsmomente an. Hier gilt für meinen Hersteller etwa:

Parameter	Wert
Auszugsparameter $ f_{ax,k} $	14 N/mm²
Torsionsfestigkeit $ f_{tor,k} $	3 Nm
Einschraubdrehmoment $ R_{tor,mean} $	$ \frac{f_{tor,k}}{R_{tor,mean}} $ ≥ 1,5
Vorbohren in Nadelholz	2.5 mm
Vorbohren in Laubholz	3 mm

Quelle

Nun schaue ich, ob ich zwei Bretter auf Stoß mit dem vorgesehenen Anzugsmoment verbinden kann. Dafür nehme ich einen Drehmomentschraubendreher zur Hand. Doch ich komme gar nicht bis zum Auslösen der Mechanik: Bereits vorher beginnt die Schraube, sich in die Deckschicht zu ziehen. Das maxinale Drehmoment, bevor die Schraube im Material “verschwindet”, schätze ich auf lediglich 0.8Nm.

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Video: Ich versuche, eine Schraube auf Drehmoment im Holz festzuziehen.

Somit lassen sich durchaus stabile Schraubverbindungen herstellen, jedoch würde ich beim Anziehen stets vorsichtig vorgehen, großzügig mit der Menge an Schrauben sein und zusätzlich Dübel- oder formschlüssige Verbindungsarten wählen.

Albasia auf der CNC-Fräse

Albasia kann wie jedes andere Weichholz auch mit der CNC-Fräse verarbeitet werden. Für Weichhölzer typische Probleme wie Ausrisse oder Fasernester sind auch hier zu erwarten. Hinzu kommt die harte Beschichtung, welche die Bearbeitung wegen anderer Anforderungen an die Parameterwahl noch einmal schwieriger macht.

Mit welchen Fräsern gelingt die Bearbeitung?

Für den Fräser ist der Materialmix herausfordernd. Beim Fräsen in HPL hatte ich im Artikel zur Überlastung meines Fräsmotors ja bereits schlechte Erfahrungen gesammelt. Das Material damals besaß im Vergleich zu Albasia-Verbund jedoch einen viel höheren Hartpapierfaseranteil (Späne sind hellbraun und mit vielen “Punkten” durchzogen), was den Fräser in Rekordzeit stumpf werden ließ.

Ich setze Vollhartmetallfräser VHM mit Spanbrecher und kaum Drall (15°) ein, um die langen Holzfasern zu brechen. Sie verstopfen sonst sehr schnell die Absaugung und sammeln sich um den Fräser an, was zu Brandgefahr führen kann.

Für die Kantenbearbeitung habe ich mit komprimierenden Fräsern wie dem Viertelstab gute Erfahrungen gemacht. Taucht man nur leicht in das Material ein, so eignet sich aber auch ein V-Cut. Bei größerer Eintauchtiefe erreichen Halbrundfräser “Ball-nose” ein schönes Fräsbild.

Auf dem Bild ist ein Vergleich dargestellt. Rechts mit grün-grauer Beschichtung das Rohmaterial, geschnitten an einer Formatkreissäge. Links in violett ist das von mir CNC-gefräste Werkstück zu sehen. Das Schnittbild unterscheidet sich deutlich voneinander und die mit dem Fräser bearbeitete Fläche ist viel sauberer und ohne Ausrisse.

Geht man in der Vollnut mit spanbrechenden Fräsern vor, lohnt sich ein Schlichtgang mit gerade gezahntem Fräser und großen Vorschüben bei nur geringer Abnahme von 0.2mm.

Allen Fräsern gemein sein muss

eine möglichst scharfe Schneide (keine Beschichtung!)
eine große Schnittgeschwindigkeit (keine zu kleinen Durchmesser verwenden)
ein verhältnismäßig großer Vorschub.

Mit Einschneidern habe ich eine hohe Oberflächengüte erzielen können. Der große Spankanal sorgt für gute Abfuhr, allerdings sind Ausrisse bei der Arbeit im Vollen mitunter problematisch. Die Schneidlast ist recht hoch, und die Schneiden sind im harten Obermaterial nicht dauerhaltbar. Für Schlichtgänge allerdings ideal.

Welche Parameter?

Albasia ist so weich, dass es den Achsantrieben der Fräse kaum Widerstand bietet. Die Schnittgeschwindigkeit ist hoch anzusetzen, Quellen im Internet empfehlen etwa 500m/min als Richtwert. Als Vorschub habe ich Werte bis 6000mmm/min ausprobiert. Ich habe aber auch nur kleine Werkstücke bearbeitet, weswegen noch höhere Vorschübe wegen der ständigen Richtungswechsel kaum einen Zeitvorteil böten. Ein zusätzlicher Schlichtgang ist wegen der Marken des Spanbrechers Pflicht.

Einen guten Kompromiss zwischen Fräszeit und Oberflächenqualität habe ich für verschiedene Fräser unten festgehalten. Die Gravierfräser lasse ich allerdings ausschließlich in der HPL-Schicht arbeiten, weswegen ich Vorschub und Drehzahl etwas reduziere.

Werkzeug (s= Anzahl Schneiden)	Vorschub `F` [mm/min]	Drehzahl `S` [U/min]	Zustellung Z [mm]	Zustellung XY [mm]
VHM-2s spanbrechend 15° 6mm	4200	24000	12	2.7
VHM-2s gerade 6mm	3700	26500	21	0.2
VHM V-cut 3s 90° 10mm	3000	21000	0.27	0.1
VHM Radienfräser 2s 6mm	3000	21000	0.27	0.1
VHM Viertelstab 4s r2 6mm	3600	15000	2	2

Schlichtgang

Das folgende Video zeigt die den Schlichtvorgang nach dem Schruppen eines 145x145mm großen Werkstückes. Durch die geringe seitliche Zustellung bilden sich kaum Fasern aus und der geringe Vorschub sorgt trotz leichtem Drall des Fräsers für eine sehr hohe Oberflächengüte.

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CNC-Schlichten von Albasia Verbundmaterial

Gravuren

Bei beschichteten Albasiaplatten finden Gravuren idealerweise in der Deckschicht statt. Wird nicht in das Trägermaterial eingetaucht, so können keine Probleme mit Ausrissen und losen Fasern entstehen. Da die Deckschicht nicht sehr stark ist, fällt die Wahl schnell auf V-Fräser mit stumpfem Winkel oder mit abgeflachter Spitze.

Alternativ hierzu können Bereiche mit Schaftfräsern vorgeräumt werden, falls das CAM-Programm eine solche Option bereitstellt. So entstehen komplett glatte “Böden” innerhalb der Taschen. Oder man verwendet Halbrundfräser wegen ihrer nur sanft ansteigenden Geometrie im unteren Bereich. Unterstützt das CAM-Programm die 3D-Gravur hiermit nicht, so kann die Fräsergeometrie wie im Artikel Halbtonbilder auf Dibond beschrieben angenähert werden.

Zwei Beispiele habe ich im untenstehenden Bild vorbereitet: Der CR-Code in der oberen Hälfte entstand mit einem 6mm-Radienfräser bei 0.2mm Eintauchtiefe. Die entstehenden Punkte und Linien fühlen sich durch die sanften Übergänge weich und angenehm an. Der Schriftzug in der unteren Bildhälfte ist mit einem Gravierfräser und bis zu 7mm Tiefenzustellung gefräst. Hierdurch kommt der natürliche Holzton zwar schön zur Geltung, bei kleinen Schrithöhen wie dieser (max. 30mm) entstehen aber leicht Ausbrüche bei Buchstaben mit “Inseln” (a, e, b, o, etc.).

Mit Farbe arbeiten

Die Kontraste der Gravuren sind zwar in Ordnung, die Lesbarkeit ist aber längst nicht perfekt. Da liegt es nahe, Gravuren mit Farbe auszulegen. Ich habe mit ein paar Farbtönen experimentiert; ein paar Impressionen finden sich im Bild unten.

Welcher Lack?

Die Platte wird mit einer Schutzfolie ausgeliefert, um die farbige Beschichtung zu schützen. Das macht das Auslegen mit Farbspray total einfach, wenn ich die Schutzfolie für die Gravurbearbeitung auf dem Werkstück belasse. Ich habe mit handelsüblichem Acryllack auf Wasserbasis (oben rechts), Farbspray mit Metallpartikeln (unten) und mit lösemittelbasiertem Permanent Marker (oben links) gearbeitet.

Dabei ging die Lackierung stets leicht von der Hand. Die Abriebfestigkeit ist bei den in HPL gravierten Flächen hoch. Graviert man bis hindurch zum Holz, so stellen sich die Fasern durch das Lackieren etwas auf, was später nur sehr zeitaufwendig korrigiert werden kann und dem Gesamteindruck nicht zuträglich ist.

Zu beachten: Schutzfolie

Der Lackiervorgang sollte möglichst direkt nach dem Gravieren gestartet werden und nicht erst Tage oder gar Wochen später. Ansonsten nämlich neigt die Schutzfolie zum Ablösen bzw. zur Blasenbildung an den Rändern der Gravur und die Farbe wird durch Kapillarkräfte in Bereiche gezogen, wo sie nicht hingehört. Dies hat mir die gold-blaue Version meiner Testreihe leider deutlich sichtbar ruiniert.

Fazit: Albasia für was?

Alles in Allem würde ich Albasia zu den eher gutmütigen Materialien zur CNC-Bearbeitung zählen, die einen weiten Parameterbereich von Vorschüben bei hoher Schnittqualität akzeptiert. Herausfordernd sind die Neigung zum Bilden langer Fasern und die sehr unterschiedliche Härte zwischen Deckschicht und Kernmaterial; Geht man mit zu hohen Vorschüben vor, so nutzt der Fräser in den Bereichen mir HPL-Deckschicht sehr schnell ab.

Als Gravurmaterial eignet es sich ebenfalls, wofür aber die Beschichtung allein bereits genügen würde und durch die kleinen Gravurtiefen enge Grenzen für die Strichbreite gesetzt sind. Die Gravur kann also allenfalls nettes Beiwerk zum eigentlichen Einsatz der Platten sein.

Die Beschichtung macht das Material absolut möbelbaufähig. Arbeitet man mit verdeckten Kanten, so kann ich mir sogar den Einsatz in der Küche vorstellen. Da es eine hohe Biegestabilität besitzt und die Beschichtung mit hoher Härte besticht, ist es sogar als Oberfläche für den täglichen Gebrauch verwendbar. Das Plattenmaterial ist federleicht und eignet sich daher auch prima für mobile Anwendungen im Sichtbereich.

An die Robustheit von Birke Multiplex reicht es jedoch nicht heran. Belastete Verbindungen traue ich dem Material ohne Weiteres nicht zu; bei Verschraubungen würde ich Oberflächen maximieren und stets Möbelbauverbindungen einsetzen (also keine Holzschrauben nehmen).

passtdas auf Github

Schallbert — Sun, 14 Sep 2025

— September 2025 — passtdas zum Download verfügbar

Das Werkzeug passtdas liest eine G-Code Datei für die Bearbeitung mit einer CNC-Fräsmaschine und ermittelt die Werkstückgrenzen (Extremwerte) in X und Y. Anschließend schreibt es ein weiteres CNC-Programm mit diesen Punkten und ermöglicht so, dass die Werkstückgrenzen direkt an der Maschine angefahren werden können.

So kann stets sichergestellt werden, dass der Rohling korrekt ausgerichtet ist und das Werkstück drauf passt.

Link zum Projekt auf Github

Ich habe vor, das Projekt demnächst in eine Browser-Lösung zu portieren und will es auf diese Weise einfacher zugänglich machen.

Schallbert

passtdas - ein Hilfsprogramm für die CNC

Schallbert — Mon, 08 Sep 2025

Das Problem

Ein Bekannter von mir schrieb mich an. Er betreibt eine CNC-Portalfräsmaschine als Hobby so wie ich und fertigt oft Einzelstücke. Die dabei entstehenden Reste sind aber teils zu schade zum Wegwerfen. Für eine bestmögliche Materialausnutzung probiert er, diese Reste als Rohlinge für weitere Projekte zu verwenden.

“Weißt du, wie ich an der Maschine herausfinden kann, ob mein Frästeil auf den Rohling passt?” - Anonym

Schnell ist es passiert: Den Maßen zufolge passt das Werkstück so gerade auf den Rohling. Setzt man den Nullpunkt nur leicht falsch, so fährt der Fräser über die Werkstückgrenzen hinaus und man kann das Werkstück wegwerfen.

Die Lösung

Es wäre doch toll, wenn die Maschine vor Beginn des Fräsvorganges die Kontur des Werkstückes abfahren würde, oder? So könnte man unkompliziert herausfinden, ob sich der Rohling wirklich komplett innerhalb der Werkstückgrenze befindet.

Da ich auf Anhieb keine schnelle Lösung online finden kann, denke ich an selbstgeschriebene Software für die Umsetzung. Daher mache ich mich an die Arbeit.

TODO: ADD VIDEO LINK

Die Software

Für einen schnellen Prototypen wähle ich die Hochsprache python. Warum? Ich beherrsche python recht gut, Bibliotheken für die erforderlichen geometrischen Berechnungen sind verfügbar, und das geschriebene Programm lässt sich leicht in eine all-in-one-Datei kompilieren.

Das Programm soll Maschineninstruktionen (G-Code) lesen und die Fräspfade analysieren. Die Stellen, an denen im Fräsprogramm die maximalen und minimalen X- und Y-Werte angefahren werden, sollen abgespeichert und selbst als Bewegungskommando in einer Pfaddatei ausgegeben werden.

Lädt man dieses Programm auf die Maschine, so wird ein so ermittelter “Extremwert” angefahren und die Z-Achse von Sicherheits- auf Messhöhe abgesenkt. Anschließend wird das Programm pausiert, sodass der Bediener Anpassungen der Werkstückposition vornehmen kann. Erst durch Einabe eines weiteren Startbefehls wird der nächste Extremwert angefahren usw.

Dieses Programm wird passtdas heißen.

Programmart

Ich entscheide mich für ein Konsolenprogramm mit wenigen Parametern:

Shortcut	Parameter name	Description
`-f`	`--file`	The source file to be analyzed. Required.
`-s`	`--zsafety`	Safety height the machine will do flyovers with. Optional.
`-p`	`--zprobe`	Probe height the machine will pinpoint to. Optional.

Die beiden Höhenparameter bekommen Default-Werte, sodass sie nicht immer mit angegeben werden müssen.

Eingabe

passtdas liest Dateien ein und durchsucht sie zeilenweise nach Bewegungsbefehlen G00, G01, G02, G03. Während die Auswertung für lineare Bewegungen wie G00, G01 einfach ist - Lineare Bewegungen lassen sich durch Punkt-zu-Punkt-Verbindungen ausdrücken, deren Extremwerte nicht zwischen den Punkten liegen können - kann das für Kreissegmente durchaus herausfordernd sein.

Die Höheninformation auf der Z-Achse wird ebenfalls mitgelesen und gespeichert. So kann die Zerspanungstechnikerin schnell prüfen, ob die maximale Frästiefe mit der Gewünschten übereinstimmt.

Befinden sich in der G-Code-Datei keine oder falsch formulierte Anweisungen, so gibt das passtdas entsprechende Fehlermeldungen aus und bricht die Analyse ab.

Definition Kreissegmente

Zum Hintergrund: Im G-Code können Kreissegmente auf zwei Arten definiert werden.

[...]
G00 X5.660 Y-0.000 Z10.000
G02 X-5.660 Y0.000 R5.660 F1600
[...]

Kommando:

“Fahre einen Kreisbogen im Uhrzeigersinn ab dem Punkt X5.66 Y0 mit Radius 5.66mm bis zum Punkt X-5.66 Y0 mit Vorschub 1600mm/min auf Höhe 10mm.”

Zeichnet man diese Kommandos, entsteht ein hängender Halbkreis. Kreise können mittels dreier Punkte definiert werden. Doch nur zwei Punkte sind gegeben. Der dritte Punkt muss mit Hilfe von Anfangs- und Endpunkt aus dem ebenfalls angegebenen Kreisradius berechnet werden.

Aufgabe: Finde heraus, wo dieser Kreis seine Extremwerte in XY hat.

Aber auch so kann ein Kreissegment definiert sein:

[...]
G00 X-2.5696 Y5.0431
G03 X-4.6258 Y3.2616 Z-0.5000 I2.5696 J-5.0431
[...]

Kommando:

“Fahre einen Kreisbogen gegen den Uhrzeigersinn ab dem Punkt X-2.56 Y5.04 mit Mittelpunktkoordinaten I2.56 J-5.04 bis zum Punkt X-4.62 Y3.26.”

Zeichnet man diese Kommandos, entsteht ein kurzes Kreissegment im oberen linken Quadranten. Hier sind zwar drei Punkte (Start- und Endpunkt sowie Kreismittelpunkt) gegeben. Doch auch hier kann es mitunter schwierig werden, herauszufinden, ob irgendwo auf dem Kreisbogen ein Extremwert angefahren wird.

Aufgabe: Finde heraus, wo dieser Kreis seine Extremwerte in XY hat.

Extremwerte von Kreissegmenten berechnen

Ein Kreissegment kann je nach Spanne bis zu vier zusätzliche Extremwerte haben: X+, Y+, X-, Y-. Bei einem Vollkreis sind dies stets die Koordinatenschnittpunkte vom Radius aus gesehen.

def get_extremes_from_arc(arc, coordinates):
 # [...]
 x_plus_radius = [center_x + radius, center_y, xyz[2]]
 y_plus_radius = [center_x, center_y + radius, xyz[2]]
 x_minus_radius = [center_x - radius, center_y, xyz[2]]
 y_minus_radius = [center_x, center_y - radius, xyz[2]]
 extremevalue_order = [x_plus_radius, y_plus_radius, x_minus_radius, y_minus_radius]
 if (arc[1] - arc[0]) < 0:
 # crossing the 0° line (x-axis), handle overflow with nested if below
 arc[1] += 360
 result = []
 for crossing_angle in range(0, 721, 90):
 if crossing_angle in range(int(arc[0]), int(arc[1] + 1)):
 i = int(crossing_angle / 90)
 if i > 3:
 i -= 4
 result.append(extremevalue_order[i])
 # [...]

Sind Kreismittelpunkt sowie Kreisradius bekannt, kann aus den Anfangs- und Endpunkten der überstrichene Winkel bestimmt werden. Hierdurch wird nun klar, ob Kreisanfangspunkt und/oder -Endpunkt selbst Extremwerte darstellen, oder ob durch Überstreichen eines Koordinatennullpunktes zusätzliche Extremwerte entstehen. Genau dies tut das obige Codebeispiel.

Datentabelle

Alle möglichen Extremwerte (zwei bei einer Linie, bis zu vier bei einem Kreissegment) werden nun in einer Datentabelle gesammelt. Sobald jede G-Codezeile ausgewertet und die Liste damit komplett ist, werden die Maximal- und Minimalwerte für jede Achse aus dieser Liste bestimmt.

So entstehen schließlich vier XYZ-Koordinaten, welche für jede Raumrichtung die maximale Ausdehnung des Werkstückes beschreibt.

Parallel durchsucht das Programm alle Befehle an die Z-Achse und merkt sich die maximale Eintauchtiefe.

Ausgabe

Das Kommandozeilenprogramm verfügt über keine visuelle Ausgabe. Daher beschränke ich mich auf die Erstellung eines Simulationsprogramms für die Fräsmaschine, in dem die Werkstückausdehnung angefahren wird und bei jedem Punkt pausiert:

G90

# Go to coordinate zero
MSG "Zmin of this job: -1.0"
G00 Z40
G00 X0 Y0
G01 Z15 F1200

MSG "PathPreview: Hit START to go to Ymin: ['0.0', '-5.66']"
M00
G00 Z40
G00 X0.0 Y-5.66
G01 Z15 F1200

MSG "PathPreview: Hit START to go to Xmin: ['-5.66', '0.0']"
M00
G00 Z40
G00 X-5.66 Y0.0
G01 Z15 F1200

MSG "PathPreview: Hit START to go to Ymax: ['0.0', '5.66']"
M00
G00 Z40
G00 X0.0 Y5.66
G01 Z15 F1200

MSG "PathPreview: Hit START to go to Xmax: ['5.66', '0.0']"
M00
G00 Z40
G00 X5.66 Y0.0
G01 Z15 F1200
# [...]

Obiges Beispiel fährt die Extremwerte eines Kreises mit r=5.66mm ab. Dabei fährt es stets eine Sicherheitshöhe von Z40 zum Überstreichen der Punkte an und bewegt die Z-Achse bei Ankunft langsam mit F1200 auf die Zielhöhe von Z15. Wichtig dabei ist, dass der Nullpunkt in Z vorher korrekt vermessen wurde - sonst kommt es möglicherweise zur Kollision mit dem Werkstück.

Test und Verifikation

Um zu sehen ob das Programm auch wie erwartet funktioniert habe ich drei Testdateien erstellt:

Unit tests: Prüft einzelne Funktionen im Programm, z.B. ob Linien- und Kreissegmente korrekt erkannt werden
integration tests: Testen, ob Funktionen im Verbund korrekt funktionieren, z.B. die richtige Berechnung von Extremwerten anhand von Eingabewerten
End to end tests: Diese Tests prüfen über die gesamte Funktionskette, z.B. ob falsch formatierte Eingabedateien erkannt werden

Zum Schluss erstelle ich mehrere Testdateien mit dem Programm und fahre die daraus erzeugten Extremwerte mit meiner CNC an.

Open-source software

Der Quellcode für passtdas steht kostenlos auf GitHub zur Verfügung, muss allerdings durch Python interpretiert werden.

Ich baue ein Endanwenderfreundliches und leicht zu bedienendes Programm daraus, sobald genügend Leute den Wunsch dafür geäußert haben.

Graustufenbilder auf Dibond

Schallbert — Tue, 25 Feb 2025

Im letzten Artikel hatte ich Dibond (Aluminium-Sandwichplatte) als Material zum Zerspanen wiederentdeckt. Ich setze es aus Umweltgründen - Verbundmaterialien sind nichts, was ich für besonders nachhaltig oder recyclebar halte - immer seltener ein. Dennoch üben die wunderschönen Oberflächen immer wieder eine gewisse Anziehungskraft auf mich aus. Nun denn - zur Sache!

Bloglogo als Punktwolke

Inzwischen war ich in der Lage, ein von Stipplegen erzeugtes Bild mal auf die Fräse zu werfen. Dafür musste ich ein im Vorgängerartikel Graustufenbilder mit der CNC fräsen noch vorhandenes Problem lösen: In meinem meistgenutzten CAM-Werkzeug nämlich können Fräspfade für punktebasierte Halbtonbilder kaum erstellt werden, da jeder der über 2200 Punkte einzeln mit einer Fräsoperation versehen werden müsste.

CADasCAM hingegen ermöglicht es, ganze Gruppen von Elementen ein- und derselben Fräsaktion hinzuzufügen. Nun fragte ich mich, mit welchem Fräser ich in Dibond am besten arbeiten solle, denn ich habe ja nur eine sehr dünne Deckschicht zur Verfügung.

Simulation Radienfräser

Ich entschied mich für einen Radienfräser mit Halbrundkopf. Für diesen hat das CAM allerdings keine Berechnungsvorschrift, sodass er sich nicht ohne Weiteres auswählen lässt. Nach Rücksprache mit dem Hersteller kam die Idee auf, den Radienfräser durch einen V-cut mit Abflachung an der Spitze für das CAM zu simulieren, tatsächlich auf der Fräse aber den Kugelkopf einzusetzen.

Um hier passende Werte zu erhalten, fertigte ich ein paar Zeichnungen an. In der Tabelle unten sind Näherungswerte festgehalten für den Falle, dass die Eintauchtiefe 0.3mm nicht überschreitet. Nun konnte ich die Pfadberechnung im CAM durchführen und sogar eine Tiefenbegrenzung von 0.22mm einhalten. Die flachsten Bereiche haben eine Gravurtiefe von lediglich 0.10mm.

Bei der Pfadberechnung ist zu beachten, dass die Rückzugshöhen möglichst gering ausfallen sollten. Dann muss die Z-Achse der Maschinen nicht für jeden Punkt so weit hochfahren. Ich halte einen Wert von 0.5mm für angemessen.

Radienfräser	Simulation durch V-Cut
r=3mm	140°, 1.0mm Abflachung
r=2mm	140°, 0.5mm Abflachung

Fräsvorgang

Die Motivgröße für die Gravur beträgt 180x180mm und ich fräse mit folgenden Werten: Radienfräser 2s r3 6mm, S20000, F1800. Ich durchsteche die Schutzfolie der Dibondplatte, deren Dicke ich nicht kompensiere. Ich verwende eine geringe Menge Schmiermittel zur Verbesserung der Schnittqualität. Nach knapp 11 Minuten ist der Fräsvorgang beendet.

Beobachtungen

Das Motiv ist in diesem Versuch schon einmal viel deutlicher zu erkennen. Leider habe ich dennoch klar ein Problem mit der Oberflächenebenheit. So ist im mittleren Bereich rechts beispielsweise zu tief graviert (Aufbauschneide - siehe Video - dort ist die Fräse zum Schluss unterwegs), während die Graviertiefe ganz oben rechts und oben mittig nicht ausreichend erscheint.

Fräse und Fräser haben überhaupt kein Problem mit dem Material. Der Gravurvorgang klingt ein wenig wie die Arbeit mit der Ständerbohrmaschine, unterbrochen von Positioniergeräuschen der Schrittmotoren.
Die für Dibond verwendete Aluminiumsorte AlMg1 ist weich und zäh. Sie eignet sich nicht gut zum Zerspanen.
Fräser tendieren hier zum Erzeugen von Aufbauschneiden, welche den Fräserradius vergrößern und die Schnittqualität verschlechtern.
Die Schutzfolie verhindert Ausrisse und Spanränder.
Aufbringen von etwas Schmiermittel ist eine gute Idee.
Selbst auf einem Vakuumtisch ruiniert jedes Staubkorn unter dem Werkstück die Fräsarbeit. Wenige hundertstel Millimeter Höhendifferenz haben große Auswirkung auf die Punktgröße und führen zu Verfälschungen.
Das Maschinenbett muss absolut eben sein oder die Maschine muss über eine hochwertige, aktive Höhenkompensation verfügen; z.B. mittels vorheriger Oberflächenvermessung durch einen Kantenfinder. Meine Steuersoftware unterstützt das Verfahren sogar unter dem Namen ZheightComp.

Fazit

Ich mag Dibond als Material sehr, aber es scheint meine Zuneigung nicht zu erwidern.
Mit meinen technischen Mitteln bekomme ich Gravuren nicht mit wiederholbar in guter Qualität hin.
Vielleicht sollte ich stattdessen Plastik oder Holz verarbeiten. Oder einen Laser verwenden…

Zum Abschluss noch ein kurzes Zeitraffer-Video des Fräsvorganges.

Graustufenbilder mit der CNC herstellen - Teil2↗

Saturn als ASCII-Art

Halbtonbilder kann man statt mit Linien, Wellen, Punkten natürlich auch mit Mustern herstellen. Als Beispiel habe ich mal das Bild des Planeten Saturn von Christopher Johnsons ASCII Art für die Fräse aufbereitet.

CAD/CAM

Für das richtige Größenverhältnis wird eine Schriftart benötigt, bei der jedes Zeichen dieselbe Setzbreite besitzt. Ich wähle die TrueType-Schriftart Courier New und passe Schriftgröße und Zeilenabstand so an, dass das Motiv auf mein Material passt und die Gravur nicht die Deckschicht perforiert.

Dies zwingt mich zur Verwendung eines 1/8" Gravurstichel mit 36° Spitzenwinkel und 0.1mm Abflachung. Ich hätte hier einen Radienfräser bevorzugt: Im weichen Dibond kommt es bei spitzwinkligen Sticheln zu Materialaufwurf und -Verschmierung. Dies führt zu unsauberen Linien und einer rauen Oberfläche. Da das Werkstück sehr klein ist, würde die Schrift jedoch viel zu breit ausfallen.

Die Pfadberechnung zeigt, dass ich auf dem nur 80x80mm großen Werkstück Fettdruck wählen muss, um meine Mindesttiefe von 0.08mm überhaupt zu erreichen.

Fertigung

Ich habe das Bild vom Saturn zweimal gefertigt: Auf 80x80mm, um die maximale Auflösung im Material zu testen und auf 180x180mm (Abbildung unten) zum Prüfen der Kontrastwirkung.

Ich bin zufrieden mit dem Ergebnis. Der Kontrast ist hoch und die silberweiße Oberfläche des Aluminium(oxyds) sieht auf der mattschwarzen Lackierung richtig edel aus.

Graustufenbilder mit der CNC fertigen: Teil3↗

QR-Codes

Wenn ich schon einmal mit Dibond arbeite: Ich probiere gleich noch aus, ein paar QR-Codes mit einem Radienfräser einzubringen. Dieses Mal verwende ich verschiedene Maschinen.

Auf der Hobbyline

In schwarz graviere ich auf der mir zur Verfügung gestellten Hobbyline im übertakteten Gravurmodus. Ich fixiere das Werkstück mit einigen Punkten Doppelklebeband. Ich fräse trocken ohne Schmiermittel. Beobachtungen:

Die Gravurtiefe scheint mit zunehmender Linienlänge zuzunehmen (Aufbauschneide, Fräser schmiert ins Material)
Teilweise wölbt sich die Lackoberfläche am Fräsrand nach oben
Sehr unsaubere Fräskanäle, starke Richtungsabhängigkeit

Auf der Basicline

Hier nutze ich natürlich meinen Vakuumtisch und profitiere vom viel stabileren Aufbau. Ich verwende eine geringe Menge Schmiermittel. War gespannt, ob die das weiße Material trotzdem ausreichende Kontraste zulässt. Beobachtungen:

Auch meine QR-codeengrave Software muss richtig bedient werden. Ansonsten verschieben sich wie hier Nullpunkte und Größenverhältnisse. Folge: Mein Handy erkennt den QR-Code nicht 😐
Die viel bessere Niederhaltung verhindert starke Unterschiede in der Fräskanalbreite.
Dennoch sieht man die Austauchpunkte der Maschine und manchmal auch mitgeschleifte Späne.
Die Fräsqualität ist noch immer nicht befriedigend.

Fazit

In Zukunft muss ich Dibond ähnlich behandeln wie Acrylglas: Sehr scharf geschliffene Fräser verwenden, die das Material ordentlich schneiden. Idealerweise Einschneider mit Habichtschnabel und Eckenfase (weiche Kanten), zentrumsschneidend, dazu ordentlich Drall. Z.B. diese hier (Link zu vhf). So wird - glaube ich - eine Materialverdrängung in das noch weichere Kernmaterial vermieden und Späne außerdem im Spankanal nach oben gefördert, sodass sie nicht anhaften können oder ein zweites Mal unter den Fräser geraten.

Zudem sollte ich mit zügigen Vorschubwerten arbeiten. Dann heizt sich das Material nicht zu stark auf. Die Verwendung von ein wenig Schmiermittel sowie das Aufbringen von Schutzfolie trägt zu besserem Fräsergebnis bei. Weitere Verarbeitungshinweise gibt es beispielsweise im CNC-aus-Holz-Forum. Stöbern kann sich lohnen.

Graustufenbilder mit der CNC fräsen

Schallbert — Mon, 27 Jan 2025

Bis jetzt habe ich Bilder stets als Gravuren in Volltonfarben erstellt. Damit lassen sich Texte wie diesen hier, aber auch Zeichnungen und Bilder kontrastreich und hübsch fertigen.

Das Ziel

Bei der Volltondarstellung können viele Details nicht abgebildet werden. Nun möchte ich aber ein echtes Foto ins Material bringen. Idealerweise soll dies zügig, ohne manuelle Nacharbeit und mit hoher Bildqualität passieren.

Mein CAM-Werkzeug stellt hierfür eine “Halbtonbild”-Funktion zur Verfügung, mit der ich im Folgenden herumexperimentiere. Auch hier ist es wieder so, dass selten direkt gute Ergebnisse aus der Maschine fallen. Außerdem sind die Erzeugung solcher Abbildungen sehr zeitintensiv, und Fehlversuche folglich “teuer”.

Daher gebe ich am Ende des Artikels ein paar Tipps und Tricks, mit deren Hilfe recht schnell gute Ergebnisse erzielt werden können.

Ein wenig Farbwissen: Rasterverfahren

Das Problem, einen ganzen Farbraum mit nur wenigen verfügbaren Farben abbilden zu wollen, ist schon hunderte Jahre alt. Während Farbverläufe durch Mischen von Farben in der analogen Welt und auch am Bildschirm mittels unterschiedlicher Luminanzwerte der drei Farbkanäle in Pixeln hervorragend dargestellt werden können, stehen bei längst nicht jeder Anwendung eine große Anzahl Farben zur Verfügung.

Drucker zum Beispiel¹. Sie haben meist nur die drei Grundfarben cyan (C) - ein Türkiston, magenta (M) - ein Pinkton, yellow (Y) - gelb sowie key (K) - meist Schwarz - zur Verfügung. Hieraus müssen sie dann die Illusion aller möglicher Farben erzeugen, denn sie können die Pigmente wegen ihrer hohen Deckkraft nicht mischen. Ansonsten würde der zuletzt aufgebrachte Farbton dominieren oder die Farbe würde schlicht verlaufen. Hieraus ergibt sich die Notwendigkeit, Rasterverfahren einzusetzen.

Halftones (Halbtonbild)

Eines dieser Rasterverfahren heißt halftone. Hierbei wird durch Farbpunkte oder -Muster unterschiedlicher Strichstärke ein Farbton simuliert, welchen das Auge ab einem gewissen Abstand nicht mehr auflösen kann und daher gemeinsam mit dem umgebenen Freiraum und gegebenenfalls anderen Farbpunkten zu einem Tonwert “mittelt”.

Dieses Verfahren eignet sich für die Fertigung mittels CNC-Fräse, sofern die Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks eine andere Farbe besitzt als das Kernmaterial.

Für Halftones existieren viele verschiedene Erzeugungsverfahren, bei denen sich Anordnung der Punkte, Striche, Musterform usw. teils stark unterscheiden. Auf der CNC bestimmen das verwendete Gravurmaterial, die benötigte Auflösung und das gewünschte Werkzeug das Verfahren, da sich nicht mit jeder Kombination eine gute Qualität erreichen lässt.

Dithering

Dithering wird eher bei der Darstellung auf Bildschirmen verwendet. Hierbei variiert nicht wie beim Halbtonverfahren Stärke bzw. Größe von Farbpunkten oder Mustern, sondern die räumliche Verteilung andersfarbiger Punkte, welche in die Grundfarbe gesprenkelt werden. Dadurch entsteht der Eindruck einer Mischfarbe.

Auch hier gibt es wieder verschiedene Erzeugungsverfahren: Diffusion, Rauschen, Muster, Floyd-Steinberg-Algorithmus…

Materialauswahl

Hier habe ich eine Menge ausprobiert. Am Besten eignen sich Materialien mit homogener Zusammensetzung und hohem Kontrast zwischen Oberflächen- und Kernfarbe. Zudem sollte die Schichtdicke des Oberflächenmaterials nicht zu groß ausfallen, da sie komplett durchstochen werden muss und dann schnell sehr große Einzelpunkte erforderlich werden. Die Oberfläche ist idealerweise mattiert, denn Seiden- Metall- oder Hochglanz erzeugen eine Blickwinkelabhängigkeit, bei der die Erkennbarkeit des Motivs leidet.

Außerdem sollte das Material komplett plan zur Fräsfläche sein, da die Punktgröße sonst unerwünscht stark variiert.

Geeignete Materialien 👍

Kernmaterial	Beschichtung	Besonderheit
Mitteldichte Faserplatte	Grundierung + Lack	Fräsbahn nicht überlappen
Aluverbundmaterial	Lack oder Folie	Max. 0.18mm tief fräsen
Acrylglas (PMMA)	Lack oder Folie	XT verwenden (Dickentoleranz)

Am wenigsten Aufwand macht mir die Verarbeitung von fertig lackiertem Aluverbundmaterial. Hier ist praktisch keine Vor- und Nacharbeit erforderlich. Es ist aber darauf zu achten, die Frästiefe auf 0.18mm zu begrenzen. Sonst wird der PU-Kern deformiert oder es entstehen Ausrisse.

Das Aufbringen einer Folie kann eine gute Lösung sein, wenn man den Zeitaufwand eines Farbauftrags scheut. Ich selbst bin leider nicht besonders geschickt im Umgang mit Folie. Ständig erzeuge ich Luftblasen oder Einschlüsse kleinster Staubkörnchen. Nach dem Fräsvorgang sind die dadurch entstandenen Defekte im Höhenprofil deutlich anhand zu großer Löcher im Material zu erkennen.

Ungeeignete Materialien 👎

Die hier aufgelisteten Materialien eignen sich meiner Meinung nach so nicht gut zum Erzeugen von Halbtonbildern. Ich habe ein paar Bilder misslungener Versuche hier abgelegt. Oft liegt ein Grund für Fehlschläge in einer für das Material zu hoch gewählten Bildauflösung.

Kernmaterial	Beschichtung	Grund
Mitteldichte Faserplatte	Furnier	Zu hohe Schichtdicke
Mitteldichte Faserplatte	Metallfolie	Papierkern der Metallfolie ist weiß
Aluverbundmaterial	Metall, gebürstet	Material “matscht”, Auflösung schlecht
Aluverbundmaterial	Keine, PU-Kern	Alu in Kern gedrückt, Auflösung mies
Weiche Alu-Legierungen	Lack oder Folie	Aluminium verschmiert, Auflösung mies

Hier experimentiere ich mit der Bildpunktdichte. Im unteren Bereich habe ich sie zu eng angeordnet, sodass sich die Beschichtung beim Fräsen löst. Auf meiner Gravur-CNC benötigt ein solches Bild auf einer Platte mit den Maßen15x10cm trotz Übertaktung etwa 15 Minuten. Das Material ist wegen des Metallglanzes, der Ausrissgefahr, einer kaum erreichbaren Flächenverleimung und der hohen Schichtdicke nicht gut für solch hohe Auflösungen geeignet.

Halbtonbilder: Anforderungen an die CNC

Das Problem hängt hier ausnahmsweise mal nicht mit Haltekräften, Fräskräften oder Schwierigkeiten beim Niederhalten zusammen. Im Gegenteil, beim Fräsen von Bildern werden außerordentlich geringe Kräfte aufgebracht, und die zumeist in Z-Richtung, wo die Maschinen eine Stabilitätsreserve besitzen.

Die Komplexität der Jobs stellt das Problem dar. Das Portal muss große Strecken zurücklegen und auf dem Weg ständig bremsen und beschleunigen. Endstufen, Schrittmotoren und Lager der Linearspindeln sind hierdurch stark belastet.

Wellen/Striche/Linien

Im Linienverfahren fährt die Maschine ein Bild zeilenweise ab. Helligkeitsinformationen werden dabei üblicherweise per Frästiefe übertragen. Damit ergeben z.B. besonders dunkle Bereiche breitere Schnitte, welche dann im Schatten liegen. Dieses Verfahren eignet sich prima bei Fräsungen in Schaumstoffen, MDF und Acrylglas. Sie lassen sich außerdem recht zügig durchführen, da die Maschine im Materialeingriff bleibt und lediglich für Zeilensprünge Positioniervorgänge erforderlich sind.

Punktverfahren

Hier wird die Größe von Punkten verändert, sodass mal größere und mal kleinere Vertiefungen im Material entstehen.

Halbtonbilder im Punktverfahren benötigen verhältnismäßig viel Zeit auf der Maschine. Was mit einem Hobbylaser in einer halben Stunde vonstatten gehen kann, dauert mit einer CNC-Maschine bei gleicher Größe und Auflösung locker mal zwei Stunden (auch hier gibt es Optimierungsmöglichkeiten).

Zur Fertigung solcher Bilder muss die Maschine extrem oft die Z-Achse bewegen. Beim Fräsen von Punkten muss sie für jeden “Pixel” einmal zwischen Sicherheitshöhe und Materialeingriff wechseln.

Beispiel: Werden 400x400 Punkte gefräst (Das wäre im Pixelmaßstab ein ziemlich mies aufgelöstes Bild), so muss die Maschine 32000x ihre Z-Achse in Gang setzen!

Daher sollte die Sicherheitshöhe nur ein paar Zehntel über der Werkstückoberfläche liegen, z.B. 0.5mm. Um die schwere Y-Achse zu schonen, macht es Sinn, das Bild per CAM zeilenweise auf der X-Achse abzuarbeiten. So wird die Y-Achse nur für Zeilensprünge bewegt.

Vorteilhaft ist hier eine leichte Portalfräsmaschine mit wenig Masse auf der Z-Achse. Sie sollte gut geschmiert und die Achsführungen gereinigt sein. Gleichzeitig sollte sie nicht zu steif sein, damit sie sich nicht durch die vielen abrupten Bewegungen aufschwingt.

Für Schrittmotoren und -Treiber sind diese Jobs Marathonrennen. Ihre Temperaturen sollten stets gut im Auge behalten werden. Ich empfehle, die Maschine nicht mit Halbtonbildern im Dauerbetrieb zu fahren. Die Achs- und Portalbelastungen hingegen sind vernachlässigbar: Die Maschine ist kaum Last in X- und Y-Richtung ausgesetzt, da sie zumeist nach unten im Materialeingriff steht und dies auch nur minimal zum Erzeugen kegelförmiger Vertiefungen.

Labyrinth/Liniensegmente

Soll das gesamte Bild in nur einem Zug abgefahren werden, so muss erst ein “Problem des Handlungsreisenden” (TSP) gelöst werden, wie es zum Beispiel die von EvilMadScientist vorgestellte Software Stipplegen2 vermag. Bei diesem Verfahren wird die Dichte der Liniensegmente pro Flächeneinheit erhöht, wenn ein Bereich besonders dunkel erscheinen soll. Auf der CNC-Maschine sind solche Bilder recht zügig fertiggestellt, da sie die Z-Achse nur einmal eintauchen lassen.

Nachteilig bei diesem Verfahren sind die geringe erreichbare Auflösung (Es werden sehr viele Punkte benötigt) und der geringe Kontrast, denn alle Linien sind gleich dick.

CNC-Werkzeuge

Die Erzeugung von Halbtonbildern sind Gravurarbeiten. Daher empfiehlt sich die Verwendung von Gravierfräsern mit 60° oder 90° Spitzenwinkel sowie einer Abflachung von 0-0.5mm.

Ist das Motiv klein, so sollte gar keine Abflachung verwendet werden. Der Spitzenwinkel sollte groß sein, wenn nicht tief gefräst werden soll oder kann oder falls die “helle Farbe” die Kernfarbe des Materials ist. So werden tiefe Schatten vermieden, die das Bild zusätzlich abdunkeln.

Wird lackierte Aluminium-Verbundplatte bearbeitet, so kann ich Halbrundfräser mit r<2mm bei sehr geringer Eintauchtiefe von maximal 0.18mm empfehlen. Hierbei wird allerdings vorausgesetzt, dass das Maschinenbett überplant und damit sehr eben ausgerichtet ist.

Herstellung

Bild: Versuch, mein Bloglogo als TSP-Pfad mit 9600 Kanten auf schwarz lackiertes Aluminiumverbundmaterial zu gravieren. Verwendet habe ich einen 1/8" 36°-Stichel mit 0.1mm Abflachung. Am unteren Bildrand ist zu erkennen, dass das Material etwas tiefer liegt und daher nicht mehr vom Stichel erreicht werden kann.

Bildvorbereitung

Das Bild sollte eine hohe Auflösung besitzen und in Graustufen vorliegen. Idealerweise besitzt es hohe Kontraste und nutzt das gesamte Grautonspektrum.

Nun wird das Bild entweder in ein CAM-Tool geladen, welche die Anfertigung von Halbtonbildern unterstützt - z.B. von Vectric, Estlcam - oder aber in ein Bearbeitungswerkzeug, welches Punktewolken oder Pfade erzeugen kann, z.B. Stipplegen2 oder Inkscape.

Dort probiere ich stets ein paar verschiedene Einstellungen durch in Abhängigkeit vom verwendeten Material, dem gewünschten Fräser und der Bildwirkung. Oft sieht man bereits dort, ob das Foto wirken kann und erlaubt eine Einschätzung, ob die Auflösung für das verwendete Material geeignet ist.

Wie man zu guten Ergebnissen kommt

Große Abmessungen bevorzugen: Je größer das Bild gewählt wird, desto weniger fallen Materialinhomogenitäten und ausgebrochene Bereiche auf.
Große Beobachtungsdistanz ermöglichen: Je weiter das Bild vom Betrachter entfernt positioniert wird, desto schärfer wird die Auflösung wahrgenommen. Bevor es dann irgendwann zu klein erscheint 😆
Lichteinfallwinkel berücksichtigen: Hat das Material Seidenglanz, metallischen Glanz oder ist sogar hochglänzend, so hängt die Abbildungsqualität sehr vom Blickwinkel und der Distanz zur Lichtquelle ab. Je glänzender das Material, desto kleiner wird der Bereich, in dem die Abbildung gut zu erkennen ist.
Homogene, nicht schmierende Materialien verwenden. Ich habe mit Acrylglas die besten Ergebnisse erzielen können.

CNC-Durchlauf

Hier ist vor allem eines mitzubringen: Zeit. Im Folgenden ein paar Videoausschnitte meiner Versuche (Zeitraffer).

Graustufenbilder mit der CNC fertigen: Teil1↗

Ausnahmen bestätigen die Regel. Natürlich gibt es sowohl bei Bildschirmen als auch bei Druckern Ausführungen, welche dieses Problem umgehen: Sie setzen etwa zusätzliche Subpixel mit zusätzlichen Farben ein und können so größere Farbräume abdecken oder - wie im Tiefdruck (Magazine, Verpackungen etc.) üblich - verwenden eine höhere Anzahl Farben beziehungsweise Farbmischungen, deren Tonwerte näher an den benötigten Halbtönen liegen. ↩︎

Mehrfarbige Gravuren

Schallbert — Mon, 30 Dec 2024

Die Projektidee

Vor ein paar Wochen war ich im Wald unterwegs. Dort sah ich ein wunderschönes, altes Schild mit dem Aufdruck “Helft Waldbrände verhüten”. Ein Zeichenstil wie in Tinte aus vergangenen Zeiten. Kurzerhand fotografierte ich es.

Leider ist das Schild ziemlich verblichen und wirkt als Foto wenig plastisch. Daher beschloss ich, mit etwas Zeitaufwand aber ohne große Kosten mit Hilfe meiner CNC-Gravurmaschine eine dreidimensionale Kopie des Schildes anzufertigen.

Vom `.jpg` nach `.svg`

Bevor ich einen Job für die CNC erstellen kann, muss ich das Bild aufbereiten und in Vektorform bringen. Mein CAM-Programm kann mit Pixelgrafiken nämlich wenig anfangen. Ich möchte das Bild gern als “Carve” erstellen, also mit einem spitzen Gravierfräser diejenigen Bildbereiche schnitzen, die später farbig erscheinen sollen. Hierfür benötige ich zudem eine Farbtontrennung, da das Bild auch in der gefrästen Fassung später weiße, rote und schwarze Anteile haben soll.

Bildaufbereitung

Hierfür nutze ich gängige Bildbearbeitungsprogramme wie gimp und paint.net. Ich verwende das curves-Werkzeug, um den Kontrast zu erhöhen, richte die Perspektive mittels 3D-Drehung gerade und hole mir anschließend mit dem Zuschneiden-Werkzeug den gewünschten Bildausschnitt. Anschließend radiere ich Bilddefekte, Schmutz oder durch die Kontrasterhöhung entstandene Artefakte weg. Zum Schluss noch ein wenig Schärfe hineindrehen und eine Tontrennung vornehmen, sodass ich keine Rottöne oder Graustufen, sondern reine Farben erhalte.

Nun exportiere ich das Bild als .jpg und importiere es in Inkscape.

Pfadkonversion

Hier skaliere ich das Bild zuerst, sodass es auf eine A4-Seite passt. Außerdem erstelle ich ganz unten links im Bild ein 1mm x 1mm kleines Quadrat, was mir für die beiden Farbschichtbilder später im CAM als Nullpunkt dienen soll, selbst aber nicht gefräst wird.

Wie bereits in einem früheren Artikel zur Pfadkonversion beschrieben, nutze ich die Trace-Funktion und kann so die roten und schwarzen Bereiche mittels unterschiedlicher Helligkeitsgrenzwerte in je eigene Layers freistellen. Die “rote” Layer enthält erst einmal auch die schwarzen Bildbereiche. Ich kann jedoch Layers voneinander subtrahieren, sodass nach dieser Aktion nur noch die roten Bildanteile übrig bleiben.

Anschließend lasse ich die Pfade noch vereinfachen und entferne fälschlicherweise erstellte Pfadartefakte. Ich exportiere die “rote” und die “schwarze” Layer jeweils als .svg-Datei.

Pfadplanung im CAM

Im CAM muss ich zwei Jobs planen - je einen für jede Farbe. Die unbearbeiteten Bildbereiche sollen weiß erscheinen. Die Gravur des ersten Jobs wird mit roter Farbe ausgelegt werden, und die zweite Gravur soll später tiefschwarz erscheinen.

Ich importiere also zuerst die “rote” SVG-Datei, wähle die für DIN A4 passende Skalierung, setze den Nullpunkt unten links und mache mich anschließend an die Erstellung der Carve-Pfade.

Job1: “rote” Bereiche

Ich setze eine Tiefenbegrenzung von 2mm und wähle für die Gravur einen 6mm 90° Stichel mit einer Schneide und 0.5mm Abflachung an der Spitze. Für die Räumarbeiten größerer gravierter Bereiche suche ich einen 3mm Zweischneider für Holz heraus und fräse mit 60% seitlicher Zustellung. Die Drehzahl stelle ich für beide Fräser bei 24000U/min, den Vorschub auf 3000mm/min ein.

Job2: “schwarze” Bereiche

Bei den schwarzen Bereichen erlaube ich für Job2 eine höhere Tiefenzustellung von 2.8mm und spare mir den Räumfräser, da hier weniger zusammenhängende Flächen abgenommen werden müssen. Durch die größere Tiefe soll das Schwarz noch dunkler und das Motiv plastischer wirken.

Durchführung

Für das Projekt nehme ich eine schwarz durchgefärbte Faserplatte (MDF) zur Hand. Mit weißem Acryllack streiche ich sie mehrfach an, bis ich eine homogene und gut deckende Oberfläche habe. Nachdem alles getrocknet ist, bringe ich eine selbstklebende Folie auf. Profis nehmen Schablonenfolien (Maskierfolien) z.B. von Orafol, ich behelfe mir jedoch mit einer viel einfacheren Einschlagfolie für Bücher. Nicht perfekt, da ihre Haftung für kleine Flächen nicht ausreicht - aber gut genug für mich.

Rote Flammen

Nun lasse ich den ersten Job auf der Fräse durchlaufen. Dafür klebe ich das Werkstück mit Doppelklebeband im Arbeitsbereich der Fräse fest und richte sie ordentlich aus, sodass der Nullpunkt einfach gesetzt werden kann.

Sobald die Fräse durchgelaufen ist, setze ich Schrauben in die T-Nuten des Grundplatte an den Rändern des Werkstücks. So kann ich es nachher wiederholgenau positionieren. Anschließend löse ich es vom Maschinenbett, reinige es mit Bürste und Pinsel und bringe rote Sprühfarbe auf. Dummerweise zieht diese sofort in das MDF ein (siehe Video unten). Die Flammen bleiben somit schwarz. Ich probiere es erneut, wieder ohne Erfolg. Also muss ich nochmal ins Geschäft und einen viel viskoseren Lack zum Aufbringen per Pinsel kaufen.

Soll MDF lackiert werden, eignet sich Sprühfarbe wegen ihrer geringen Viskosität nicht: Sie zieht ein und hinterlässt kaum Pigmente auf der Oberfläche.

Nachdem ich auch hier wieder gewartet habe bis die ausgelegten Flammen getrocknet sind, montiere ich das Werkstück erneut auf dem Maschinenbett.

Schwarze Tannen

Nun lasse ich den zweiten Job durchlaufen. Dies geht trotz Verzicht auf den Räumfräser bedeutend schneller, da der Werkzeugwechsel entfällt.

Anschließend ziehe ich die Schutzfolie vom Werkstück ab und reinige es gründlich. Wie schön das Schild geworden ist!

Video der 3D-Gravur

Zu diesem Projekt gibt es mal wieder ein Zeitraffer-Video, bereitgestellt auf meinem PeerTube-Kanal.

multicolorEngrave↗

Was noch besser werden könnte

Im Nachhinein betrachtet gibt es bei meinen Projekten oft Dinge, die noch besser gemacht werden können. Wenn ich so auf das Video gucke, fallen mir zwei Sachen auf:

1. Pfadqualität bestimmt Fräsqualität

Ich wollte möglichst schnell zum Ergebnis kommen und habe daher bei der Umwandlung vom Pixelbild zur Vektorgrafik nicht alle Pfadartefakte ausgeräumt. Diese äußern sich am fertigen Produkt als kleine Inseln und Punkte, die weniger tief gefräst wurden als der Rest. Am besten ist dies in den roten Bildbereichen zu erkennen. In Natura fällt das kaum auf. Im Video erkennt man aber, dass Fräse zum Ausarbeiten dieser Stellen zusätzliche Zeit benötigt.

2. CAM-Strategie kostet Zeit

Mein Programm für die Fräsplanung läuft Fräspfade für Räumung, Umrisse und Ausspitzungen von oben nach unten jeweils zeilenweise ab. Dies hat zur Konsequenz, dass unglaublich viele Positioniervorgänge für nicht zusammenhängende Pfade erforderlich werden. Zudem wird jeder Punkt im ungünstigsten Falle drei mal angefahren.

G00-Kommandos sind hier schlecht, weil sie eine Menge Zeit kosten und die Maschine unnötige Wege verfährt. Dieses Problem ließe sich nur mit einem professionellerem CAM-Werkzeug beheben.

Stahl bearbeiten

Schallbert — Mon, 10 Jun 2024

Für unseren Retro-Gaming Stand auf der Maker Faire Ruhr 2024 habe ich Ausschnitte in PC-Gehäuse gefräst. Die zugehörige Geschichte möchte ich hier nun erzählen und passende Parameter für die Bearbeitung von Stahl auf “weichen” Hobbymaschinen teilen.

Doch Vorsicht!

Vorab möchte ich erwähnen, dass ich einige sicherheitsrelevante Dummheiten begangen habe, die in Zukunft unbedingt zu vermeiden sind:

Niemals mit Handschuhen in der Nähe sich drehender Maschinenteile hantieren!¹
Kühl- und Schmiermittel müssen für den Verwendungszweck geeignet sein; Rauch- und Brandgefahr!
Schutz- und Abschrankeinrichtungen sind fest zu montieren und dürfen nicht umgangen werden!

Wer sich also mit Arbeits- und Betriebssicherheit auskennt, sollte das weiter unten zur Verfügung gestellte Video besser nicht anschauen.

Das Werkstück

Zu bearbeiten habe ich Stahlbleche von PC-Gehäusen (MIDI-Tower) mit einer Stärke von 0.7mm-0.9mm. Beim Material handelt es sich um galvanisch verzinkten, kalt gewalzten Stahl (SECC), also eine günstige und verhältnismäßig leicht zu verarbeitende Stahlsorte mit niedrigem Kohlenstoffgehalt und geringer Beimischung anderer Legierungselemente.

Diese Stahlsorte wird für Bleche im Automobilbau und vielen Haushaltsgeräten, vor allem in “weißer Ware” eingesetzt und findet zudem oft im Automaten- und Schaltschrankbau Verwendung. Somit ist diese Fräsarbeit übertragbar auf andere Einsatzgebiete.

Die Maße der Gehäuseseiten liegen zwischen 35x45xm und 52x50cm, passen also alle problemlos auf meine Maschine. Mit einer Ausnahme liegen die Seitenteile mit ihrer sichtbaren Seite plan und ohne Ausschnitte auf, sodass mein Vakuumtisch für das Niederhalten ohne Weiteres in Frage kommt.

Die Seitenwand eines der Gehäuse besitzt kiemenartige Perforationen zur Belüftung sowie eine Vertiefung für einen Griff. Bei den Lüftungsschlitzen behelfe ich mir mit Frischhaltefolie zum Halten des Vakuumdrucks, während der Verlust des Vakuums beim Durchfräsen der Griffmulde in Kauf genommen wird.

CAD/CAM

Die zu schneidenden Ausschnitte sind sämtlich geometrisch einfach und berücksichtigen für Rundungen r=1.5*Fräserradius. Das Fenster für den “Meeres-PC” ist dabei zweiteilig angelegt und soll eine Sturmszene auf See darstellen.

Das Fenster ist rundherum 0.25mm kleiner als die Aussparung, was in einer fast spielfreien Passung führt und sehr professionell aussieht.

Im CAM stelle ich Gegenlauffräsen ein, was bei weniger steifen Maschinen wie meiner bei Bearbeitung harter und zäher Materialien anzuraten ist. Die Maschine läuft so etwas weicher und leiser - trotzdem schüttelt und vibriert sie noch beträchtlich.

Bei der Tiefenzustellung wähle ich einen Wert, der vier hundertstel Millimeter geringer ausfällt als die Materialstärke beträgt. So lasse ich praktisch nur noch eine hauchdünne Folie aus Lack und Korrosionsschutz übrig, verschleiße mir aber nicht die Haftvermittlungsmatte aus Gummi.

Fräsparameter

Im Vergleich zur Bearbeitung von Holz liegen die Schnittgeschwindigkeiten bei Stahl deutlich niedriger. Während ich in Birke Multiplex mit 450m/min unterwegs bin, empfehlen mir verschiedene Schnittdatenrechner wie dieser hier Werte zwischen 80m/min und 200m/min. So ergibt sich beispielsweise ein Parametersatz wie S4250u/min, F255mm/min für meinen Zweischneider aus Feinstkorn-Hartmetall.

Dieser Fräser besitzt im 45°-Winkel abgeschrägte Schnittkanten von 0.2mm Länge und mit 30° einen starken Drall. Zur Erhöhung der Standzeit ist er im Vakuumverfahren PVD mit einer etwa 3µm starken TiAlN-Legierung beschichtet.

Ich habe auf meiner Maschine nach Rücksprache mit dem Hersteller des Fräsers Parameter vorgewählt, die ich in Testläufen nochmal anpassen und damit höhere Tiefenzustellung bei geringerer Spantemperatur erreichen konnte (keine blauen Späne mehr). Hier die Werte, die ich für die Bearbeitung schließlich verwendet habe:

Fräser	Schneidengeometrie	Drehzahl	Vorschub XY	Vorschub Z	Zustellung Z
6mm, Vollhartmetall	2Flutes 30°, l=12, 45°0.2Fase	6000u/min	550mm/min	250mm/min	0.8mm

In der Stahlbearbeitung für die Fräser auf abgeschrägte Schnittkanten achten
Vorschub hoch, Tiefenzustellung runter (gilt besonders für “weiche” Maschinen)
Trocken fräsen ist weniger problematisch als ich dachte

Dieses Youtube-Video von Stefan Gotteswinter erläutert den Vorteil durch geringere Spandicken bei Verwendung abgeschrägter Schnittkanten sehr anschaulich. Dies funktioniert dann am besten, wenn die Tiefenzustellung nicht größer ist als die Länge der Fase am Schneidenende. Auch auf cnczone wird mir empfohlen, einen “High-speed milling”-Ansatz zu wählen.

Für meinen Zweischneider passe ich die Schnittdaten also so an, dass ich die Tiefenzustellung drastisch zurücknehme, dafür aber Vorschub und Drehzahl erhöhe:

Fräser	Schneidengeometrie	Drehzahl	Vorschub XY	Vorschub Z	Zustellung Z
6mm Zweischneider	30°Drall, l=12, 45°0.2Fase	10600u/min	970mm/min	450mm/min	0.2mm

Ich bin schon sehr gespannt darauf, diese Werte in der Praxis zu erproben.

Vorbereitung des Fräsvorganges

Da ich das erste Mal in Stahl unterwegs bin, musste ich noch ein paar Besorgungen machen und Dinge vorab ausprobieren.

Kühlschmierstoff

Bei Arbeiten in Stahl sei Kühlung zum Schutz des Fräsers unerlässlich, meinte der Fräsenhersteller. Also habe ich mir eine Spritze besorgt, mit der ich Schmiermittel punktgenau aufbringen kann. Nur: Welches Mittel wählen?

Für nur drei Teile besorge ich mir nicht extra eine Minimalmengenschmierung oder Kühlschmierstoffe aus dem Industriebedarf. Also probiere ich im Haushalt verfügbare Mittel aus:

Sprühschmierstoff WD40: Für mich nicht geeignet. Verdampft schnell, riecht.
Nähmaschinenöl / Feinöl: Nicht geeignet. Sehr flüssig (fließt in Vakuumlöcher), raucht und stinkt.
Rapsöl zum Braten: Wunderbar! Schmiert gut, relativ viskos, geruchsarm, kaum Rauchentwicklung.

Spanschutz

Die bei der Bearbeitung entstehenden Metallspäne sind kurz, heiß und scharfkantig. Sie bleiben gern in der Kleidung hängen und fliegen so weit, dass selbst bei über einem Meter Entfernung zur Maschine noch reichlich Späne ankommen.

Also habe ich mir aus einem Acrylglasrohr mit 20cm Durchmesser ein Segment abgesägt, geschlitzt und es als Spanschutz an der Z-Achse eingehängt.

Mein Fehler an dieser Stelle: Ich habe auf die Klemmkraft alleine vertraut und den Spanschutz nicht zusätzlich mit Schrauben befestigt. Zum Glück verklemmte er sich erst beim Fertigen des letzten Teiles.

Fräsen

Man merkt sofort, dass die Maschine nicht die nötige Steifigkeit zur Verarbeitung von Stahl hat. Sobald der Fräser in das Material eintaucht, beginnt die Maschine zu rattern und zu schütteln. Dennoch kämpft sie sich tapfer durch das Material, während ich stets mit einem Tropfen Öl am Fräspfad bereit stehe.

Stahl fräsen!↗

Die Spindel hat mehr als genügend Reserven zur Verfügung selbst bei der geringen Drehzahl. Jedoch achte ich für die Werkstückpositionierung sehr darauf, möglichst mittig an der Kugelumlaufspindel der Y-Achse zu arbeiten. Hier erfährt die Maschine die geringsten Verwindungskräfte. Die Späne sehen für meine Augen gut aus.

Das Geräusch verändert sich beim Fräsen: Ich habe mehr Vibrationen in der Maschine, wenn ich in Y-Richtung fräse, als wenn sich nur die X-Achse bewegt. Diesem Phänomen werde ich später genauer auf den Grund gehen.

Das Ergebnis

Die Fensterausschnitte kann ich nach der Bearbeitung auf der CNC mit einem Cuttermesser einfach ausschneiden.

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Video: Auslösen des Ausschnittes mit einem Cuttermesser

Die (minimalen) Grate entferne ich fix mit einer Feile.

Danach fertige ich Fenster aus durchsichtigem Acrylglas in 3mm Stärke, welche ich rundherum mit einer 10mm breiten Falz von 1mm Tiefe versehe. Somit wird die Stärke des doppelseitigen Klebebands zum Einpassen berücksichtigt und die Scheibe schließt plan mit dem PC-Gehäuse ab.

Das obige Bild zeigt ein Celsius 1000 Workstation Gehäuse von Siemens, welches mit einem schlichten Fenster versehen, nun richtig edel aussieht.

Handschuhe können bei versehentlichem Kontakt mit dem Fräser mitgerissen werden. Dies kann schwere Handverletzungen nach sich ziehen. ↩︎

CNC Tuning #3

Schallbert — Sat, 04 May 2024

Dies ist der letzte Teil meiner Reihe über die Optimierung der Fertigungszeit auf CNC-Fräsmaschinen. Er konzentriert sich auf den Pfadinterpreter der CNC-Steuersoftware.

Der Pfadinterpreter der Steuersoftware ist dafür zuständig, die Anweisungen aus dem G-Code zu lesen und in Maschinenbewegungen zu übersetzen. Soll beispielsweise G01 X100 Y200 Z-2.0 F2000 S18000 ausgeführt werden, so muss der Pfadinterpreter die akuelle Position der Maschine kennen und einen Fräsvektor erzeugen, der zur gewünschten Position mit den vorgegebenen Parametern zeigt.

Hierbei muss der Interpreter die kinematischen Parameter der Maschine berücksichtigen: Mit welcher Rampe auf Zielgeschwindigkeit F1000 beschleunigt wird ob der gewünschte Vorschub überhaupt zulässig ist, und ab welchem Punkt wieder gebremst werden muss um den Zielpunkt exakt zu erreichen. Die so gewonnenen Daten werden schließlich in eine Schrittfolge für die drei Schrittmotoren übersetzt, in einen Pufferspeicher geladen und schließlich in Echtzeit an die Motorendstufen ausgegeben.

Schritt 3: Optimierung des Pfadinterpreters

Viele Steuersoftware-Anbieter haben integrierte Fräspfadfilter programmiert, welche mittels Kommando G64 oder per Menü zu konfigurieren sind. Ich verlinke hier mal ein paar Beispiele verschiedener Hersteller, wo für spezifische Details nachgelesen werden kann:

Die Kunst ist nun, eine Konfiguration passend zum Fräsjob und der Maschinenkinematik zu finden. Es geht hier immer um einen Kompromiss zwischen Fertigungsgeschwindigkeit und Bahntoleranz. Soll also mit hohem Vorschub gefahren werden, werden eigentlich spitze Kanten verrundet, verbundene Liniensegmente in einem Toleranzband angefahren oder Pfade so vereinfacht, dass außerhalb der von der Maschine erreichbaren Beschleunigung befindliche Pfadpunkte nicht angefahren werden.

Grundlagen: Was ist “Look Ahead Feed”?

Hiermit ist gemeint, dass der Pfadinterpreter der Steuersoftware sich während des Ausführens einer Fräsoperation - z.B. G01 X* Y* (lineare Bewegung Punkt zu Punkt) - bereits die nächste(n) Operation(en) anschaut und herausfindet, ob und wie stark zwischen den Operationen abgebremst und wieder beschleunigt werden muss bzw. direkt durchgefahren werden kann. Die Physik dahinter erkläre ich im Artikel zum CNC-Setup.

Hierdurch kann teils massiv Zeit gespart werden, der Fräsvorgang wird flüssiger und die Maschine erfährt geringere Belastungen. Zusätzlich zur Vermeidung von Beschleunigungs- und Bremsvorgängen kann mittels Parameter G64 eingestellt werden, ob und wie Fräspfadfilter die geplante Trajektorie verändern dürfen, um weiter auf höhere Bahngeschwindigkeiten zu optimieren.

Ideal im Gravurbetrieb

Im Gravurbetrieb kann man sich solche Optionen hervorragend zu Nutze machen: Höhere Toleranzen sind hier meist OK, und leicht verrundete Kanten oft akzeptabel. Bei 3D-Gravuren dauert das Fräsen durch die vielen Pfade lang, und hier ist besonders viel Zeit herauszuholen.

Da ich Eding CNC benutze, kann ich nur für Parameter dieser Steuerung Tipps geben. Nun aber ab ins Detail zur Erklärung der Einstellungen!

Fräspfadtoleranz `G64 P*`

Dieser Parameter gibt der Steuersoftware die allgemeine Toleranz der Pfadgenauigkeit vor.

Ich habe meine Maschine so eingestellt, dass sie im Gravurbetrieb Abweichungen vom vorgegebenen Fräspfad von bis zu LAF blending tolerance = 0.3mm zulässt. Alternativ kann die Konfiguration per Kommando G64 P0.3 erfolgen. Im Bild habe ich skizziert, wie sich eine solche Einstellung in der Praxis auswirken kann: Der Fräspfad (weiß) besteht aus G01-Liniensegmenten. Die Toleranz ist mit Hilfe von Kreisen eingezeichnet. Der Pfadinterpreter der Steuersoftware kann nun eigenständig Kreissegmente so definieren, dass innerhalb der Toleranz eine möglichst hohe Bahngeschwindigkeit erreicht wird.

Die so ermittelte Bahn (türkis) ähnelt einer Spline-Kurve. Zu beachten ist hier, dass sämtliche Linien von dieser Einstellung betroffen sein können - auch solche, die strenge Toleranzanforderungen haben. Ist dies nicht gewünscht, so sollte hier ein kleinerer Wert verwendet werden.

Pfadverrundung `G64 R*`

Treffen zwei Liniensegmente im Winkel von bis zu LAF full speed blending angle threshold = 12° aufeinander, wird die Maschine ohne abzubremsen versuchen, dem Winkel genau zu folgen. Bei größeren Winkeln wird mit reduzierter Geschwindigkeit mit per G64 P* definierter Toleranz gefahren. Diese Konfiguration wird mit G64 R12 programmiert.

Die Werte hier sind mit großer Vorsicht einzustellen, weil sie zu Beschleunigungsspitzen auf der Maschine führen. Große Werte können Schrittverluste und höheren Verschleiß der CNC-Fräse verursachen. Dafür werden Bahngeschwindigkeit und Genauigkeit optimal gehalten.

Pfadverrundung bei reduziertem Vorschub `G64 S* D*`

Diese Konfiguration gibt der Steuersoftware die Möglichkeit, Kanten bis zum eingestellten Toleranzwert zu verrunden: LAF reduced speed path smoothing delta = 0.001mm. In Kombination mit der Verrundung muss der Winkel eingestellt werden, bis zu dem diese Verrundung durchgeführt werden soll: LAF reduced speed path smoothing angle threshold = 0°.

Programmiert wird diese Funktion am Besten in Kombination mit der Pfadverrundung bei vollem Vorschub als G64 R* S* D*. Der Vorteil hierbei ist, dass Liniensegmenten wie im Bild gezeigt sehr genau gefolgt wird, und die Kanten gleichzeitig aber fein justierbar abgerundet werden. Bis zum über R definierten Winkel wird sogar mit vollem Vorschub dem Pfad exakt gefolgt.

Werden bei S sehr große Winkel eingestellt, so findet entsprechend D auch eine stärkere Verrundung statt. Überschreitet der im Fräsprogramm vorgegebene Winkel jedoch den konfigurierten Wert, so fällt der Algorithmus auf die für P hinterlegten Werte bzw. in den exakten Pfadfolgemodus zurück.

Pfadvereinfachung `G64 Q*`

Enthält die G-Code Datei zahlreiche, sehr kurze Liniensegmente (wie sie oft bei der Erstellung von Pfaden aus Bilddateien entstehen), kann diese Funktion durch Vereinfachen der Fräspfade Abhilfe schaffen. Dabei gibt die Zahl hinter dem Parameter die Toleranz an, bis zu der Liniensegmente zu einer Linie verschmolzen werden.

Diese Einstellung entlastet den Pufferspeicher der Maschine und erhöht gleichzeitig die mittlere Bahngeschwindigkeit. Für den Gravurbetrieb halte ich diese Einstellung insbesondere für interessant, wenn mit “verrauschten” Daten gearbeitet wird und im CAD nicht die Möglichkeit bestand, die Anzahl der Pfade zu reduzieren.

Beschleunigungsfilter `G64 F*`

Mittels diesen Parameters können die durch Look Ahead Feed möglicherweise erzeugten Beschleunigungsspitzen abgemildert werden. Der minimal einzustellende Wert ergibt sich durch den Quotienten aus gewähltem Vorschub für die Operation und maximaler Geschwindigkeit der Maschine.

Beispiel: Fmin = Foperate / Fg00, bei Fg00 = 12000mm/min und Foperate = 5000mmm/min ist Fmin = 0.42

Also wird bei Vorschub von 5000mm/min die maximal mögliche Beschleunigung der Maschine abgerufen und Kurvenradien so eingestellt, dass sie bei konstanter Bahngeschwindigkeit gefahren werden. Alle Werte größer gleich Fmin = 1 sind inherent sicher, unabhängig vom gewählten Vorschub.

Dieser Parameter wurde entwickelt für die Bearbeitung von elastischen Materialien wie Gummi oder Kork, wo eine konstante Vorschubgeschwindigkeit extrem wichtig und die Bahntreue eher zweitrangig ist. Der Parameter wird in Kombination mit G64 R* verwendet. Die folgende Programmierung für das obige Beispiel würde die volle Kapazität der Maschine abrufen: G64 R120 F0.42, wobei mit F5000 gefahren wird, F12000 der Maximalvorschub der Maschine ist und spitze Winkel bis 120° ohne abzubremsen gefahren werden sollen.

Wende ich diese Werte auf meine Maschine an, entsteht das nebenstehende Bild. Hier soll ein Rechteck mit 25 x 100mm Kantenlänge gefertigt werden. Weiß ist wieder die Zieltrajektorie dargestellt. Die türkise Kurve zeigt die durch die Programmierung des Beschleunigungsfilters gefahrene Kurve mit konstanter Bahngeschwindigkeit. Je geringer der Vorschub im Verhältnis zum Maximalvorschub und je höher die Beschleunigung der Maschine eingestellt ist, desto kleiner wird der notwendige Radius.

Für den Gravurbetrieb und das Fräsen fester Materialien wird dieser Parameter meiner Erfahrung nach jedoch nicht verwendet.

Meine Konfiguration für die Hobbyline 4530

Ich habe im Gravurbetrieb viel mit den verschiedenen LAF-Parametern herumgespielt und eine Menge Rohlinge als Lehrgeld “verbraucht”. Die kürzesten Fertigunszeiten erhielt ich bei vorheriger Optimierung der kinematischen Parameter mit folgender Konfiguration:

G64 Q0.3 R12 D0.3 S120

Damit sage ich der Maschine folgendes:

“Verwende den Pfadvorschau-Algorithmus und versuche, kurze Liniensegmente unter 0.3mm Länge zu verschmelzen. Versuche, den Vorschub bei einem Winkel zweier Streckenabschnitte von bis zu 12° nicht herunterzuregeln. Bei größeren Winkeln bis 120° kann statt einem exakten Nachfahren mit bis zu r=0.3mm verrundet werden. Bei noch größeren Winkeln ist dem vorgegebenen Pfad zu folgen und, falls erforderlich, bis zum Stillstand abzubremsen.”

Fazit

Da mich die Parameteroptimierung für den Gravurbetrieb ziemlich weit vom Parametersatz für den normalen Fräsbetrieb weggebracht haben, habe ich mein Steuerprogramm einfach ein zweites Mal installiert.

Dort konnte ich dann Geschwindigkeit, Achsbeschleunigung und Pfadparametrierung getrennt festlegen. Nun habe ich das Beste beider Welten auf einer Maschine zur Verfügung:

Einen sehr genauen, weich operierenden Fräsbetrieb mit folgenden Parametern:

Fmax XY 12000mm/min
Fmax Z 4800mm/min
Amax X 1000mm/s²
Amax Y 1000mm/s²
Amax Z 1000mm/s²
G64 P0.1 R6

Und über die andere Verknüpfung einen überaus flinken Gravurbetrieb:

Fmax XY 12000mm/min
Fmax Z 4800mm/min
Amax X 4000mm/s²
Amax Y 3200mm/s²
Amax Z 1600mm/s²
G64 Q0.3 R12 D0.3 S120

Und wo ist der Beweis?

Das eingebettete Video zeigt dasselbe Gravurprojekt mit vier verschiedenen Optimierungsstufen:

oben links: Herstellerkonfiguration der Maschine, Standard-Fräspfade aus CAD/CAM
oben rechts: Geschwindigkeit und Beschleunigung auf Fräsbetrieb erhöht
unten links: Look Ahead feed eingeschaltet G64 P0.3, Fräspfade im CAM optimiert
unten rechts: Optimiert für Gravurbetrieb wie oben beschrieben, CAM Flyover auf 2mm reduziert und Leerfahrten minimiert

CNC-Tuning für den Gravurbetrieb↗

CNC Tuning #2

Schallbert — Sat, 27 Apr 2024

Dies ist der zweite Teil meiner Reihe über die Optimierung der Fertigungszeit auf CNC-Fräsmaschinen. Er konzentriert sich auf die kinematischen Maschinenparameter für den Gravurbetrieb.

Schritt 2: Tuning der kinematischen Parameter der CNC

Die theoretischen Grundlagen habe ich im Artikel zur CNC-Steuerungskonfiguration ausführlich erläutert. Meine Probleme damit und zugehörige Lösungen habe ich nach vielen Tests und Rücksprache mit dem Hersteller im Fazit zu einem Jahr CNC-Betrieb festgehalten. Die folgenden Abschnitte wenden die obigen Erkenntnisse auf eine Demonstrationsmaschine an, die ich mir habe leihen können.

Verfahrgeschwindigkeit im Eilgang

Für die Demomaschine konnte ich die Geschwindigkeit im Eilgang von den vorgeschlagenen Fxy = 4m/min und Fz = 2.4m/min auf Fxy = 12m/min und Fz = 4.8m/min erhöhen. Setze ich alle drei Achsen gleichzeitig in Bewegung, erhalte ich durch Steigung der Kugelgewindespindeln und Mikroschrittkonfiguration (8 pro Vollschritt) der Motoren eine kombinierte Schrittfrequenz von 96kHz, was unter der maximalen Schrittfrequenz von 125kHz der Steuerung liegt.

Beschleunigung im Eilgang

Die Herstellerangaben empfehlen hier aXY = 300mm/s² und aZ = 200mm/s².

Ich habe die Beschleunigung in mehreren Schritten hochgesetzt und bin in einer ersten Runde bei aXY = 1000mm/s² und aZ = 400mm/s² gelandet. Diese Werte sind für diese kleine und leichte Maschine mit nur 30x45x14cm Verfahrweg nach meiner Erfahrung für den Normalbetrieb ohne Weiteres möglich. Sie erhöhen die Fertigungsgeschwindigkeit stark, denn jeder Richtungswechsel, auch die im Materialeingriff bei G01, G02, G03, werden nun um Faktor 3 bzw. 2.5 schneller ausgeführt.

So habe ich die Maschine oft betrieben und auch auf der Messe bin ich mit diesen Werten stabil und sicher gefahren. Das folgende Video zeigt die Fräse im Gravurbetrieb mit den angegebenen Werten.

CNC-Tuning: Vorschau↗

Danach jedoch wollte ich wissen, wie weit ich es treiben kann. Getreu dem vorher beschriebenen Motto

“Wer die Grenze nicht überschreitet, weiß nicht, wo sie liegt”

habe ich erst einmal geprüft, wie sich massive Schrittverluste bei dieser Maschine anhören. Also habe ich eine Achse mit einem Holzbalken blockiert und bin vorsichtig dagegen gefahren:

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Massive step loss soundcheck

Das deutlich vernehmbare Rattern entsteht wenn der Motorhochlauf zwar klappt, in Richtung Zielgeschwindigkeit aber diverse Vollschritte verloren gehen. Wird der Rotor bereits bei Anlauf des Motors “verloren”, so fiept der Motor nur noch, ohne die Achse überhaupt in Bewegung zu setzen. Verliert der Motor nur wenige Schritte, befindet sich aber auf Zielgeschwindigkeit, so gibt es einen rauen und unter Umständen kratzenden Ton.

Ich habe für das Experiment die X-Achse gewählt, weil sie sich am einfachsten blockieren lässt. Des Weiteren habe ich sie in X+-Richtung blockiert. Begründung: diese Maschine besitzt kein professionelles Festlager zur Aufnahme von Druck- und Zugkräften der Kugelumlaufspindel. Stattdessen werden Druckkräfte in Richtung Schrittmotor sicher von einem auf der Spindel montierten Flansch abgefangen, der gegen in der Portalwange befindliche Kugellager drückt.

Zugkräfte hingegen werden hauptsächlich von den Motorlagern aufgenommen - da wollte ich kein Risiko eingehen. Nun ist also das Geräusch bei plötzlichem und ruckartigen Schrittverlust bekannt - das Übertakten kann beginnen!

Meine Vorgehensweise:

Die Beschleunigung einer Achse der Maschine verdoppeln
Die betreffende Achse umher joggen, dabei auf merkwürdige Geräusche achten und die Achsbewegung beobachten
Vorige Schritte wiederholen, bis massive Schrittverluste auftreten
Beschleunigung auf den Mittelwert zwischen “klappt” und “klappt nicht” zurückfahren
Den vorigen Schritt solange wiederholen, bis die Maschine sauber fährt
Alle Schritte auch für die anderen Achsen durchführen

So bin ich schließlich bei für eine solche Hobbymaschine unglaublichen aXY = 4000mm/s², aZ = 1600mm/s² gelandet. Dies liegt nun eine Größenordnung über den empfohlenen Werten.

Die kleine Fräse scheint auch hier stabil zu laufen und die gefertigten Gravuren sehen gut aus. Allerdings konnte ich mir nicht vorstellen, dass ich Schrittmotoren, Treiberstufen und Netzteil noch innerhalb ihrer Spezifikation betreibe. Daher habe ich gemessen.

Elektrische Messwerte

Das Netzteil ist mit 3.7A bei 36V angegeben. Ich darf diesen Wert also in der Summe weder im Eilgang G00 noch im Materialeingriff dauerhaft überschreiten. Wie oben erklärt, ist der Eilgang im Gravurbetrieb durch die geringeren Fräskräfte maßgeblich, sodass ich besonderes Augenmerk auf das Verfahren mehrerer Achsen gleichzeitig legen muss.

Die Motoren können je einen Dauerstrom von 3.0A verkraften, limitieren mir hier also nichts. In den elektrischen Tests schaue ich lediglich, ob ich mit der Energieaufnahme des Systems im Rahmen bleibe.

Messaufbau

Ich schließe das aus diesem Artikel bekannte Multimeter direkt am Ausgang des Netzteils an und nehme Spannung und Strom auf. Für das Experiment simuliere ich die Fertigung der oben im Video verlinkten Gravur und führe in zwei Durchläufen zuerst eine zeitlich grob aufgelöste Leistungsfaktoranalyse (2Hz) durch, gefolgt von einer fein aufgelösten Stromermittlung mit 20kHz.

Ergebnisse

Im obigen Bild sind Spannung, Strom, Wirk- und Blindleistung aufgetragen. Zu erkennen ist, dass die Blindleistung (grün) immer dann kurze Spitzen zeigt, wenn mehrere Achsen gleichzeitig in den Eilgang beschleunigen. Die Leistungsaufnahme einer Achse im Eingriff G01/G02/G03, blau beträgt im Schnitt etwa 45W und ist ähnlich hoch wie bei der Konstantfahrt im Eilgang.

Das Netzteil ist in der Lage, die Spannung (orange) ziemlich konstant zu halten und knickt selbst unter Volllast nur um knapp 0.2V ein. Einzig der Stromwert sah mir etwas zu glatt aus. Ich vermutete an dieser Stelle, dass die zeitliche Auflösung zu gering ist und beschloss, das Experiment mit Konzentration auf den Strom zu wiederholen.

Und tatsächlich. Die höhere zeitliche Auflösung zeigt, dass die Stromaufnahme bei Beschleunigung mehrerer Achsen Spitzen zeigt, die über den bereits bekannten Werten liegt.

Hier stechen Bewegungen auf der Y-Achse, welche das gesamte Portal in Bewegung setzen muss, besonders heraus. Und zwar genau dann, wenn die anderen Achsen noch in Bewegung sind oder gerade gehalten haben. Dies hängt mit den Schrittmotortreibern zusammen. Sie betreiben die Motoren nämlich noch etwa 0.5s nach Anhalten bei vollem Strom weiter. Die dadurch entstehende Überlagerung lässt die Spitzen noch dramatischer aussehen.

Benchmark Spitzenlast

Na dann treiben wir es mal auf die Spitze mit einem Beschleunigungs-Benchmark. Wird das Netzteil auch bei voller Last unter Beschleunigung aller Motoren gleichzeitig die Ausgangsspannung halten können?

Um dies zu testen, habe ich einen G-Code geschrieben, der alle Achsen gleichzeitig auf Höchstgeschwindigkeit beschleunigen und dann wieder abbremsen lässt. Anschließend wird unter gleichen Bedingungen zum Ausgangspunkt zurückgefahren und das Ganze wiederholt.

Auf diese Weise kann ich herausfinden, ob das Netzteil genügend Reserven hat, um Lastspitzen abzufangen und gleichzeitig schauen, ob die Motoren bereits im größeren Maße Schritte verlieren. Im Mittel liegt hier die aufgebrachte Leistung bei 95W und die Versorgungsspannung sinkt um 0.28V auf 35.72V ab. Dabei muss das Netzteil in der Spitze 5.14A abgeben, was knapp 40% über Nennstrom liegt.

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Benchmark

Hört man ganz genau hin, so klingt die Maschine direkt zu Beginn des Benchmarks etwas rau, fängt sich dann aber. So können auch Schrittverluste klingen. Es ist daher sehr wichtig, die Maschine mit allen Sinnen zu überwachen.

Mechanische Prüfung

Nun zur letzten Prüfung: Ich gebe beim Eilgang-Benchmark zusätzlich Last auf die Achsen, indem ich während des Programmablaufes mit meinem Arm an der jeweiligen Achse ziehe. Die Achsen Z und X laufen stabil weiter. Bei der Portalachse Y merke ich jedoch, dass die Maschine nun anders klingt. Irgendwie rau, als würde man mit mit einer Raspel leicht über eine Holzplatte ziehen.

Lege ich eine große Last an, so fährt der Schrittmotor auf dieser Achse nicht mal mehr an, sondern fiept nur noch. Er kann den Pulsen der Endstufe nicht mehr folgen. Ich reduziere nun also die Beschleunigung schrittweise, bis der Motor die Portalachse auch unter mittlerer Last wiederholbar und ohne hörbare Schrittverluste beschleunigen kann. Hier lande ich am Ende bei immer noch flinken [aX = 4000mm/s² aY = 3200mm/s² aZ = 1600mm/s²].

In einem letzten Schritt führe ich nach fünfmaliger Wiederholung des Benchmarks eine weitere Referenzfahrt durch und schaue mir die Logs der Steuersoftware an. Alle Achsen sind nun unauffällig hinsichtlich Schrittverlusten.

Appelle zum CNC-Tuning

Bitte geht beim Tuning eurer Maschine behutsam vor. Lernt sie richtig kennen, bevor ihr damit beginnt. Hört genau hin und optimiert Achse für Achse nacheinander. Nehmt euch Zeit für Tests, Prüfungen und Experimente.

Selbst wenn ihr eine sehr ähnliche Maschine wie meine besitzt, machen andere Abmessungen bereits einen riesigen Unterschied hinsichtlich Steifigkeit und damit auch möglicher Verfahrgeschwindigkeit bzw. Beschleunigung. Sogar Wartungszustand, leichtgängigere Wellen, andere Führungen o.Ä. können dazu führen, dass ihr am Ende mit anderen Werten fahrt als ich.

Es wird kein Profi-Equipment benötigt, um die Grenzen der Maschine auszuloten. Nicht einmal eine Messuhr, da Schrittverluste auch mit Hilfe der Referenzschalter hinreichend genau bestimmt werden können.

Alles was ich durch die elektrischen Messungen oben festgestellt habe, ist, dass der Hersteller bei der Auslegung der Maschine sauber gearbeitet hat und keine Komponente unterdimensioniert ist. Im Gegenteil, diese Maschine ist für die Übertaktung bestens geeignet.

Und nun weiter zum letzten Teil 3: Pfadinterpreter optimieren.

CNC Tuning #1

Schallbert — Sat, 20 Apr 2024

Dies ist der erste Teil meiner Reihe über die Optimierung der Fertigungszeit auf CNC-Fräsmaschinen. Er konzentriert sich auf den Einsatz von CAD- und CAM-Werkzeugen zur Erzeugung effizienteren G-Codes.

Es gibt diverse Maßnahmen zur Reduktion der Fertigungszeit mit einer CNC-Maschine. Erstmal jedoch sollte beleuchtet werden, warum so etwas gewünscht ist und welche möglichen Nachteile sich hierdurch ergeben.

Warum überhaupt?

Aus kaufmännischer Sicht sorgen geringere Fertigungszeiten für einen höheren Teiledurchsatz und ermöglichen damit einen höheren Umsatz in einer gegebenen Zeitspanne. Zudem ist die Investition der Maschine schneller amortisiert.

Als Hobbyist sind kürzere Fertigungszeiten vor allem dann interessant, wenn das Ziel die Herstellung sehr komplexer Geometrien oder die 3D-Fertigung ist. Hier können Fräszeiten durchaus mehrere Stunden betragen und die möglichen Einsparungen sind folglich besonders groß.

Bei mir steht wie auch in der Lehre der wissenschaftliche Gedanke im Vordergrund: Ich will herauszufinden, wo die Grenze der Maschine liegt. Ich möchte wissen, warum sie dort liegt. Ich werde versuchen, sie stabil innerhalb ihrer Grenzen zu betreiben. Dabei ist der Verschleiß unter Kontrolle zu halten.

Um diese Grenze jedoch genau zu kennen, muss sie zuerst übertreten werden. Woher sonst soll ich wissen, wo sie sich befindet?

Was sind mögliche Nachteile?

Bestimmte Komponenten einer “übertakteten” Maschine könnten schneller als üblich verschleißen. Dazu zählen etwa Netzteile und Motor-Endstufen, die höhere transiente Ströme verkraften müssen. Lager und Führungen werden durch höhere Beschleunigungen stärker beansprucht. Umlaufspindeln und Maschinenrahmen müssen die dadurch resultierenden, stärkeren und schneller wechselnden Kräfte und Vibrationen aufnehmen und können früher Ermüdungserscheinungen oder sich lösende Verbindungen aufweisen.

Bei der Ermittlung der Grenzen kann die Maschine im Extremfall sogar beschädigt werden: Mit hoher Wahrscheinlichkeit treten jenseits der Grenze Schrittverluste¹ auf. Das ist zwar im Testbetrieb nicht weiter problematisch. Doch stimmt die angenommene Position dann nicht mehr mit der tatsächlichen Position überein und es besteht das Risiko des “Crashes” - wenn nicht mit Bedacht vorgegangen wird. Hier noch ein ziemlich gutes Youtube-Video von gammaflow zum Thema Schrittverluste vermeiden.

Werden die Fräsbahnen im CAD oder CAM zugunsten kürzerer Fertigungszeiten verändert, so kann dies außerdem negative Auswirkungen auf Schnitt-, Kanten- und Oberflächenqualität haben.

Bei der Optimierung des Pfadinterpreters der Steuersoftware ist ebenfalls ein Kompromiss einzugehen: Höhere Fertigungsgeschwindigkeit wird hier mit geringerer Genauigkeit und/oder höherem Maschinenverschleiß eingekauft.

Welche Maßnahmen werden nicht diskutiert?

Nicht betrachten werde ich hier die Optimierung von Vorschub F und Drehzahl S des gewählten Fräsers im Eingriff. Diese Parameter hängen vom zu bearbeitendem Material, der Fräsergeometrie, den Fähigkeiten der Maschine und dem Mut des Bedienpersonals ab, sodass ich keine allgemein gültigen Tunings vorschlagen kann.

Einen anderen, großen Einflussfaktor muss ich hier ebenfalls ausklammern: Die Bearbeitungsstrategie des CAM-Programms bezogen auf Eilgänge. Mein CAM-Programm lässt mich da nicht besonders tief eingreifen, sodass ich für die Optimierung der letzten paar Prozent Fertigungszeit stets von Hand im G-Code arbeiten muss, was entsprechend fehleranfällig ist.

Tuning in drei Schritten

Bei meiner Optimierung bin ich in drei Schritten vorgegangen, die allerdings unabhängig voneinander umgesetzt werden können. Jeder Schritt hat mir hierbei deutlich spürbare Verbesserungen gebracht. Dieser Artikel konzentriert sich aus mehreren Gründen auf den Gravurbetrieb:

Gravuren erlauben meist größere Toleranzen als andere Betriebsarten. Dadurch kann stärker verrundet werden, was zu geringeren Beschleunigungen führt. Dies ermöglicht im Mittel größere Vorschübe
Die zu erwartenden Fräskräfte sind geringer: Keine Durchfräsungen, kaum Energieeinsatz bei der Spanverdrängung, kleineres Spanvolumen als bei Schaftfräsern
Dadurch kann die Maschine näher an ihren mechanischen und elektrischen Grenzen betrieben werden
Durch im Schnitt größere G-Code Dateien mehr Optimierungspotential

Schritt 1: Besserer G-Code

Dieser Abschnitt folgt dem Credo Garbage in, Garbage out. Will heißen: Wenn mein G-Code schon schlecht ist, kann die Maschine niemals optimale Fertigungszeiten erreichen. Was zeichnet also “schlechten” G-Code in Bezug auf Fertigungszeit aus?

übermäßig komplex und lang, möglicherweise Dateigröße im Megabyte-Bereich
extrem viele Stützpunkte und eine Menge kurzer Liniensegmente
Einen Haufen “Leerfahrten” im Eilgang auf XY mit hochgezogener Z-Achse
Viele Rückzüge der Z-Achse auf Sicherheitshöhe
Häufige Wartezeiten der Maschine (Spindelhochlauf, Kühlmittelpumpe, Controller-Puffer voll)
Übermäßiges Feinstschlichten auch bei B-Oberflächen

Aber wie soll ich meinen G-Code vereinfachen?

Kurze Frage, lange Antwort: Es fängt im CAD an und hört möglicherweise im CAM nicht auf.

Beispiel CAD

Nehmen wir an, wir möchten eine Schrift fräsen. Unser CAD-Programm hat auch einen Haufen toller Schriftarten dazu. Wir erzeugen nun eine DXF-Datei für’s CAM. Im CAM dann sehen wir plötzlich beim Hineinzoomen, dass alle Buchstaben aus sehr kurzen Liniensegmenten bestehen statt aus Kreissegmenten oder Splines. Die Folge: Das CAM wird G01-Bewegungen, also “Linear Moves” bzw. eine Aneinanderreihung von Strecken erzeugen.

Die verbundenen Strecken machen sehr viele Richtungswechsel der Maschine erforderlich. Folglich muss sie vor dem Verbindungspunkt ständig abbremsen und danach wieder beschleunigen. Die Maschine kann also nicht mit konstanter Geschwindigkeit fahren, denn das würde eine unendliche Beschleunigung am Knickpunkt erfordern.

Für dieses Problem gibt es Lösungen, die im Idealfall gemeinsam angewendet werden:

Im CAD-Programm einstellen, dass wann immer möglich Splines oder Kurven statt Liniensegmenten erstellt werden sollen
Vereinfachung der Zeichnung durch Reduktion der Stützstellen
Vermehrte Nutzung von Radien und Splines an Kanten, Vermeidung von Winkeln

In meinem Falle war die erste Option nicht verfügbar, sodass ich nun ein anderes Programm für die Gravur von Schriften verwende als für meine üblichen Zeichnungen. Dadurch kann ich Schrift jetzt in Linien- und Bogensegmenten ausdrücken. Die dafür erforderliche Fräszeit halbiert sich und gleichzeitig kommt der G-Code mit weniger Zeilen aus. Außerdem wird die Schrift runder und hält sich sogar noch genauer an die anfangs gewählte Schriftart.

Gute Beispiele für die Vereinfachung von Pfaden durch Reduktion von Stützpunkten liefern Gimp und Inkscape - für Inkscape habe ich das sogar bereits meinem Artikel zum Thema Bild-zu-Pfad-Konversion gezeigt. Mit ein paar wenigen Klicks erhält man auf Kosten der Genauigkeit Zeichnungsdaten, die teils deutlich schneller zu fertigen sind.

Da ein Schaftfräser sowieso keine Tasche mit r=0 in den Ecken fertigen kann, habe ich mir angewöhnt, sämtliche Ecken und Kanten im CAD abzurunden. Nicht nur liegen so hergestellte Teile besser in der Hand, sie sind außerdem schneller zu fertigen - die Zeitersparnis summiert sich, besonders auf langsamen und trägen Maschinen.

Beispiel CAM

Im CAM kann ich durch vermehrte Verwendung von Anfahrpunkten und Rampen ein wenig Zeit sparen. Ich lege sie zumeist an das kürzeste Liniensegment und spare so einen Brems/Beschleunigungsvorgang. Bei der Eintauchart ist der Vorteil von “Rampe” gegenüber “Helix”, dass sämtliche Wege des Fräsers Nutzwege sind und ich ohne zusätzliche Achsbeschleunigungen durchfahren kann. Je nach Rampensteigung allerdings verlängert sich der Fräspfad, da Überlappungen entstehen.

Einen viel größeren Effekt auf die Fertigungszeit hat die kluge Auswahl von Räumzustellungen und -strategien für Taschen passend zu Material, Fräser und gewünschter Oberflächengüte. So erzeugt Wirbelfräsen (Trochoidalfräsen²) in vielen Fällen längere Dateien und kostet auf der Maschine mehr Zeit als der klassische “Rasenmäher”, welcher die Tasche bloß abzeilt. Für die Räumzustellung wähle ich bei Materialien wie Holz und Acrylglas gern große Werte über 60% - es sei denn, der Boden der Tasche muss besonders hohen Qualitätsansprüchen genügen.

Für Gravuren ist es meiner Meinung nach oft am Schnellsten, auf einen Räumgang mit einem zweiten Fräser zu verzichten und wenn möglich einen Gravurfräser mit abgeflachter Spitze - ähnlich derer für meine Tests mit Dibond - zu verwenden. Dieser benötigt zum Räumen zwar länger; das kann ich durch gesteigerte Gravurtiefe und eine recht breite Abflachung von 1.5mm aber kompensieren. Ich verwende bei einem solchen Fräser eine Räumzustellung in XY von 1mm. Übrig bleibt schließlich der Zeitvorteil durch weniger Werkzeugwechsel.

Aber wie soll ich die Leerfahrten reduzieren?

Endlich mal ein paar knackig-kurze Antworten:

Geringere Rückzugshöhe in Z (ich verwende 5mm aber 2mm würde bei mir wahrscheinlich auch funktionieren)
Optimierung der Frässtrategie im CAM auf “minimale Wege”
Bei Nesting: Darauf achten, dass die Geometrie möglichst nicht Zeile für Zeile, sondern Teil für Teil gefertigt wird.
Im Zweifel Optimierung der Strategie im G-Code von Hand. Lohnt sich dann, wenn das CAM-Programm nicht gut genug arbeiten kann und viele Gleichteile zu fertigen sind

Und wo ist das Problem mit Rückzügen der Z-Achse?

Rückzüge finden vor allem im Gravurbetrieb sehr häufig statt
der Zeitverlust summiert sich
Beim Wiedereingriff wird meist nicht im Eilgang sondern mit für den Fräser vorgesehener Geschwindigkeit mit G01 auf das Material gefahren

Eine Verbesserung kann hier eine gute Planung der Fräsreihenfolge im CAM bringen. Möglichst viele Sektionen sollten verbunden und ohne Absetzen des Fräsers gefertigt werden. Im CAM sollte für Rückzug und Wiedereinfahrt in Z der Eilgang verwendet werden.

Wie reduziere ich Wartezeiten?

Mit Kühlschmierstoffschaltvorgängen, Wechsel der Spindeldrehzahl oder des Werkzeugs sind Wartezeiten verbunden, die meist leicht zu reduzieren sind:

Kühlschmierstoffförderung durchlaufen lassen während des Programmablaufes
die Verwendung möglichst weniger Werkzeuge bei gleichbleibender Drehzahl für ein Produkt
Anschläge verwenden, um die Maschinenbeschickung zu vereinfachen und Nullpunkte nicht immer wieder neu setzen zu müssen
Wird die Maschine mit komplett verschiedenen parametern für Gravur- und Fräsbetrieb gefahren, empfiehlt sich die doppelte Installation der Steuersoftware mit jeweils passenden Parametersätzen. Dadurch entfällt das ständige Ändern der Konfiguration.

Weiter geht es in Teil 2: Kinematische Parameter hochdrehen.

Schrittverluste treten dann auf, wenn die Achse eines Schrittmotors nicht mehr synchron mit der durch die Steuerung vorgegebenen Schrittfolge dreht, sondern weniger bzw. mehr Schritte zurücklegt als vorgegeben. Fast immer ist die Ursache eines Schrittverlustes in einer unzureichenden Auslegung des Systems (z.B. zu geringe oder instabile Versorgungsspannung, zu schwache oder nicht an den Motor angepasste Endstufen) oder einer Überlastung des Schrittmotors zu finden. Selten jedoch können Schrittverluste Symptome von Defekten sein wie Lagerfraß, Windungsschluss oder durchschlagene Pufferkondensatoren. ↩︎
Das Trochoidalfräsen ist keine schlechte Praxis. Es hat andere Stärken, ist im Gravurrbetrieb aber nur selten von Nutzen. ↩︎

Vakuumspannen

Schallbert — Tue, 02 Apr 2024

Wie ich im Artikel zur Maker Faire Ruhr 2024 erwähnte, hatte ich große Probleme beim Spannen meiner Werkstücke für die Fertigung von Spirographen.

In diesem Beitrag möchte ich genauer darauf eingehen, eine Analyse der Ursachen vornehmen und schließlich ein paar Lösungsmöglichkeiten vorstellen.

Was ich vorwegnehmen kann: Sämtliche Probleme lassen sich mit Wissen über die Ursachen sowie etwas Zeit-, Planungs- und Materialaufwand beheben.

Das Problem

Ich hatte wie üblich die Bahnplanung für die Spirographen so festgelegt, dass ich erst die inneren Bereiche (Taschen, Teile, Bohrungen) und danach die äußeren Bereiche fräsen lasse. Ganz zum Schluss sollten Ausschnitte und Fasen gefertigt werden. Des Weiteren sah ich vor, die Teile doppelseitig zu bearbeiten, damit auch die Rückseiten der Zahnräder gebrochene Kanten und weiche Übergänge aufweisen würden.

Vakuumverlust

Bei meinem ersten Versuch bin ich so vorgegangen wie ich das im Spirographen-Projekt mit dem Material Acrylglas bereits erfolgreich durchführen konnte: Die Rückseite wird zuerst bearbeitet, aber nicht ganz durchgefräst. Nach dem Wenden des Werkstückes dann soll nur noch mit dem Fasenfräser ausgeschnitten und gleichzeitig die Kanten gebrochen werden.

Dies funktionierte für die erste Aufspannung auch hervorragend.

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Rückseitige Bearbeitung der Spirographen.

Bei der zweiten jedoch ging mit dem Durchstoßen der Oberfläche so viel Unterdruck verloren, dass sich das Material vom Vakuumtisch löste und seine ursprüngliche, leichte Wölbung annahm. Somit musste ich den Fräsvorgang abbrechen und mir eine andere Strategie zum Niederhalten überlegen.

Ich konnte mir zu diesem Zeitpunkt noch nicht richtig erklären, warum jetzt so viel mehr Druck verloren ging als bei der Fertigung in Acrylglas.

Frischhaltefolie

Ich probierte mit Frischhaltefolie dem Druckverlust entgegenzuwirken. Dabei stellten sich gleich mehrere Folgeschwierigkeiten: Fährt der Fräser durch die Folie, so wird sie beim Fräsen geschlossener Konturen vom Fräser erfasst und in Windeseile um selbigen gewickelt. Der Fräser schneidet nun nicht mehr, sondern reibt nur noch am Material, was sehr schnell zu Hitzespuren am Holz führt.

Doch selbst wenn ich die Frischhaltefolie vorab befestige: Da ich Teile ausschneide, ist beim ersten Eindringen in die auf der Unterseite bereits vorhandene Nut der lokale Unterdruck am Teil bereits wieder so klein, dass es sich kaum an Ort und Stelle halten lässt.

Verdrehung des Werkstücks

Für den zweiten Versuch passte ich die Strategie an: Der Schaftfräser würde das Werkstück durchfräsen, so dass ich keine zweite Aufspannung benötigte. Ich wollte die Kantenbrechung auf der Rückseite später optional über eine auf dem Tisch festgespannte Halterung realisieren, in die ich die Teile würde einlegen können.

Während das Ausschneiden der Teile noch problemlos funktionierte (erneut die “inneren” Teile zuerst fräsen), so bekam ich beim Anbringen der Fase bereits auf der Vorderseite große Probleme. Die Zahnräder begannen, sich zu verdrehen und die Schablone mit Hohlrad war überhaupt nicht niederzuhalten.

Zu wenig Zeit

Ich musste also schon bei der Bearbeitung der Vorderseite auf speziell für die Werkstücke angefertigte Halterungen zurückgreifen. Deren Konstruktion und Fertigung nahm Zeit in Anspruch die ich an dieser Stelle so nicht eingeplant hatte.

Vor der Messe konnte ich mich nicht in der Tiefe mit der Analyse beschäftigen - eine schnelle Lösung musste her.

Die Ursachen

Mit ein paar Wochen Abstand kann nun ich sagen, dass mehrere Faktoren zu den Problemen führten. So kommen eine schwierige Geometrie, ungünstige Materialeigenschaften und bestimmte Eigenheiten des Vakuumtischdesigns zusammen. Aber gehen wir dem Ganzen hier mal auf den Grund.

Werkstück

Das Ausgangsmaterial ist mitteldichte Faserplatte von 10mm Stärke. Sie ist einseitig mit 0.75mm starkem Olivenholzfurnier versehen. Dieses Material ist für die Bearbeitung auf einem Vakuumtisch bereits von Grund auf problematisch:

Durch Furnierung und Lagerung sind die Platten leicht gewölbt¹, wollen sich also von meinem Vakuumtisch abheben.

MDF ist luftdurchlässig, sodass die Vakuumpumpe mit größeren Leckageströmen zu tun hat als üblicherweise (so bekomme ich bei Aufspannung der Platte nur -300mBar zusammen statt der üblichen -800mBar ohne Leckströme). Die geringe Materialdicke verstärkt diesen Effekt.
MDF ist nicht nur senkrecht zur Plattenebene luftdurchlässig, sondern auch waagerecht. Dadurch sind die Haltekräfte in der Nähe von Fräsungen stark reduziert, denn Luft kann nun auch seitlich in das Material eindringen und erhöht so zusätzlich die Leckageströme.

Das hier verlinkte Video Youtube: Verschiebekraftmessungen von Anton CNC zeigt anschaulich, wie sich verschiedene Materialien auf einem Vakuumtisch mit poröser Oberfläche verhalten. Ebenfalls sehr empfehlenswert zum Thema ist dieses Video YouTube: Haltekraftermittlung während des Zerspanens von vakuumtischDE um einen Eindruck zu gewinnen, unter welcher Belastung das Werkstück während des Fräsvorganges stehen kann.

Geometrie

Mein Design für die Spirographen lässt sich nicht besonders gut niederhalten:

Die Schablone mit Hohlrad besitzt dünne Wände von nur etwa 2cm Stärke. Am dicksten sind sie an den Seiten links und rechts, weisen in der Mitte aber eine große Aussparung auf, durch die Luft in alle Richtungen in das Material eindringen kann und so die Haltekräfte reduziert.
Das Zahnrad verfügt über Löcher zur Aufnahme von Stiften. Um die Löcher herum ist der Anpressdruck reduziert.
Die Zähne von Hohlrad und Zahnrad liegen so frei, dass sie durch Querströme der Luft im Material praktisch keinen Beitrag zur Haltekraft leisten können. Gleichzeitig bieten die Zahnköpfe aber einen großen Hebel für Verdrehung oder Verschiebung des Werkstücks: Eine ungünstige Paarung.

Nehme ich das als Grundlage für die Praxis, so sind nur die im Bild oben innerhalb des Kreises befindlichen Vakuumlöcher überhaupt in der Lage, nennenswerte Spannkräfte zu erzeugen. Diese sind aber wiederum nahe am Zentrum und bieten folglich nur wenig Widerstand gegen Verdrehen des Werkstücks. Hinzu kommt, dass das Zahnrad hier mehrere Bohrungen und damit zusätzliche “Lecks” aufweist.

Fräskräfte

Die durch das Werkzeug (den Fräser) in das Material eingebrachten Kräfte wirken stets in XY-Richtung, bei V-cut Fräsern und Schaftfräsern mit Spirale/Drall zusätzlich in Z-Richtung.

Kräfte durch Vorschub: Je schneller durch das Material gefahren wird, desto stärkere Kräfte in XY-Richtung wirken auf das Material in Verfahrrichtung.
Kräfte durch Fräserdrehung bzw. Gleich- oder Gegenlauf: Verwendet man einen Schaftfräser ohne Drall, so entstehen Kräfte orthogonal in der Ebene der Verfahrrichtung. Fahre ich also in positive X-Richtung, wird der Fräser auch in Y-Richtung eine Kraft ausüben, die durch seine Eigendrehung eingebracht wird: Im Gleichlauf möchte der Fräser dem Material ausweichen, wird also nach Y+ abgelenkt (wie in diesem Artikel anschaulich gezeigt). Im Gegenlauf ist die Ablenkrichtung invers und der Fräser möchte nach Y- ausweichen.
Kräfte durch Fräsergeometrie: Weist der Fräser eine Spirale auf oder ist er in der Geometrie abgeschrägt, so wirken zusätzlich Kräfte in Z-Richtung. Bei Vcut- und Downcut-Fräsern wird das Material auf das Maschinenbett gedrückt, bei Upcut-Spiralfräsern hingegen wird der Span wie gewünscht ausgeworfen. Das Werkstück erfährt aber auch eine Kraft, die es im Extremfall vom Maschinenbett abheben kann.
Wird in der Vollnut gefräst (d.h. der Fräser ist statt an der Werkstückkante entlang zu fahren über seinen kompletten Durchmesser im Eingriff), erhöhen sich die Kräfte quer zur Fräsrichtung sogar noch: Im Bild fährt er am oberen Rand der Nut im Gegenlauf, was den Fräser “vom Material weg”, im Bild also nach unten, drückt. Gleichzeitig fährt er am unteren Nutrand im Gleichlauf, was ihn “in das Material” zieht - ebenfalls nach unten.

Vakuumspannsystem

Wie in den Artikeln über Vakuumpumpen und Vakuumtische beschrieben, verfüge ich über eine trockenlaufende Drehschieberpumpe, angeschlossen an einen Lochrastervakuumtisch. Bei der Bearbeitung poröser Werkstoffe ist diese Kombination ebenso wie Rastervakuumtische mit kleinvolumigen Pumpen problematisch:

Mein Lochrastervakuumtisch besitzt Löcher mit einem Vakuumkanal von 0.5mm Durchmesser. Durch diese Engstelle wird die Pumpe zwar bei offenliegenden Löchern entlastet, denn sie muss nicht den vollen Luftstrom bringen, die das 5mm große Sackloch ermöglicht. Allerdings kann das Loch durch den begrenzten Luftstrom in Kombination mit MDF weniger Unterdruck aufbauen.
Durch die hohen Leckströme ist meine Vakuumpumpe mit ihrem Volumenstrom an ihrer Grenze. Hier sind andere Pumpentypen deutlich besser geeignet (siehe Radialgebläse, Seitenkanalverdichter).
Ein Vakuumtisch spannt generell nur nach unten (in Z-Richtung). Allerdings müssen auch Kräfte in XY-Richtung abgefangen werden, damit es nicht zu einer Verschiebung oder Drehung des Werkstückes kommt. Diese sind über den Haftreibkoeffizienten µ zwar an den Unterdruck am Werkstück gekoppelt (und lässt sich über Materialpaarung und Oberflächenbeschaffenheit beeinflussen), wenn Letzterer aber zu niedrig ausfällt, wird das Werkstück nicht zuverlässig gehalten.

Obwohl sich die Vakuumkanäle im 10mm-Raster befinden, beträgt der für den Leckstrom maßgebliche Abstand nur 5mm. Die Ränder der Sacklöcher (je 5mmDurchmesser) befinden sich nämlich in diesem Abstand zueinander, sodass der Luftstrom quer zum Material eine geringere Distanz zurücklegen muss als durch das Material hindurch.

Vergleich zum Widerstandsnetzwerk

Die tatsächliche Spannkraft lässt sich gut abschätzen wenn man sich Pumpe, Vakuumtisch und Werkstück als elektrisches Netzwerk vorstellt. Ich habe hierfür ein Modell vorbereitet und stelle es im Folgenden vor.

Widerstände: Vakuumtisch, Werkstück

Die Sauglöcher des Vakuumtisches stellen Widerstände für den Luftstrom dar, welche sich in einer Parallelschaltung befinden. In Reihe dazu ist das Werkstück erneut als Widerstand geschaltet, was mit seinem anderen Pol an “Masse”, also dem Umgebungsluftdruck, liegt.

Vakuumverteiler = Schalter, Manometer = Spannungsmesser

Das Manometer im Saugkanal kann als Spannungsmessgerät gesehen werden. Den Vakuumverteiler mit seinen Ventilen zum Schalten der Vakuumsektionen sehe ich als elektrische Schalteinrichtung. Ist der Schalter geschlossen, so stellt er die Verbindung zwischen Pumpe und Vakuumtisch her. Ist er geöffnet, so blockiert er den Luftstrom.

Vakuumpumpe = Spannungsquelle

In diesem Bild stellt die Pumpe eine Spannungsquelle dar, die in meinem Falle maximal U = 8V entsprechend -800mBar bereitstellen kann. Durch den bei realen Spannungsquellen vorhandenen inneren Widerstand von 0.2Ohm kann sie einen Kurzschlussstrom von I = 40A erzeugen, analog zu den 40m³/h Durchsatz. Dieser Vergleich ist physikalisch natürlich nicht korrekt, denn ich müsste hier mit Masse- statt Volumenströmen arbeiten. Außerdem hängt die Fördermenge nicht überall im Kennfeld linear mit dem Druck zusammen und die von mir angenommenen Widerstandswerte sind nur Richtgrößen. Zur Modellierung des Sachverhaltes eignet es sich meiner Meinung nach trotzdem.

Bei Werkstückmaterialien wie Acrylglas oder Metall ist der Luftdurchfluss nahe Null, ihr “Widerstand” ist also extrem hoch. Dadurch fällt hier der allergrößte Teil der Spannung (Unterdruck) ab, sodass das Werkstück fest gespannt wird.

Bei Verwendung luftdichter Materialien ist die Welt entsprechend in Ordnung: Das Manometer zeigt beim noch unbearbeiteten Werkstück den den Druck auf dem Material korrekt an an. Selbst bei Durchfräsungen wird lediglich der Widerstand des Materials “in Reihe” zu den betroffenen Sauglöchern zu Null gesetzt. So wird der Unterdruck und damit Haltekraft am Teil selbst kaum reduziert.

Schaut man genau hin, so ist zu erkennen, dass das Manometer die Druckdifferenz vor dem Vakuumverteiler misst. Sein Wert ist also nur dann auch aussagekräftig für die Spannkraft, wenn das Werkstück einen sehr hohen Durchströmungswiderstand bietet.

Sonderfall poröse Werkstoffe

Ganz anders sieht das Bild bei porösen Werkstoffen wie MDF aus:

Hier liegt der Durchgangswiderstand des Materials nur knapp eine Größenordnung über dem der Vakuumlöcher. Ich habe die Werte durch Versuche am Vakuumtisch ermittelt. Sie basieren auf Druckmessungen und Berechnungen von Werkstückfläche und der Anzahl vom Material abgedeckter, aktiver Sauglöcher. Besonders hervorzuheben sind hier zwei Effekte, die mir das Niederhalten zusätzlich schwer gemacht haben:

Augenmerk auf die Widerstände im Material in Parallelschaltung zum Durchgangswiderstand in Z-Richtung. Sie entstehen dadurch, dass die Luft sich nun auch “zwischen den Löchern” durch das Material bewegen kann.
Auf der rechten Seite des Bildes ist zu erkennen, was passiert, wenn das Werkstück in einen inaktiven Vakuumbereich hineinragt: Die Sauglöcher sind untereinander praktisch ohne Widerstand mittels Vakuumkanälen im Tisch verbunden. Da das Werkstück “Querluftzug” in XY-Richtung ermöglicht, muss durch Verbindung der Sauglöcher deutlich weniger Widerstand überwunden werden, als für die Durchdringung in Z. Hierdurch liegen nur noch R29 und R22||R21 in Reihe. Überdeckt das Werkstück mehrere inaktive Lochfelder, geht R22 gegen 0.

In der Folge werden die Widerstände vor R19, nämlich R18||(R29+(R21||R22)) so klein, dass die Pumpe hier praktisch nur noch Umgebungsluft zieht und an der Stelle kaum Spannkraft aufbringen kann. Über R25 wirkt sich der Querluftstrom außerdem auf den Druckabfall von R17, R15 aus.

Jetzt wirken die kleinen Sauglöcher als Spannungsteiler, sodass an ihnen ein nicht unerheblicher Teil des Unterdrucks “hängen” bleibt.

Also stimmt auch der auf dem Manometer angezeigte Druck überhaupt nicht mehr mit den Gegebenheiten am Werkstück überein: Obwohl ich hier noch immer -200mBar angezeigt bekomme, reduziert sich die Spannkraft genau an den für das Niederhalten empfindlichsten Stellen

am Rand des Werkstücks
in angrenzenden Bereichen zu denen, wo das Werkstück nicht aktiv angesaugt wird
sowie an jeder Durchfräsung und einem gewissen Umkreis

auf nahe null.

Für alle anderen Bereiche gelten die Kirchhoff’schen Gesetze: Gebildet wird ein Spannungsteiler bestehend aus Innenwiderstand der Pumpe, Vakuumsystem sowie dem Durchdringungswiderstand des Werkstücks. Nur die noch am Werkstück abfallende Spannung bestimmt die Niederhaltekraft. Sie ist - ich wiederhole mich jetzt - unter Umständen viel geringer als der Blick auf das Manometer vermuten lässt.

Lösungen

Ganz schön viel Theorie für die banale Erkenntnis, dass mir das Werkstück auf dem Maschinenbett verdreht wird, oder? Folgende Lösungen habe ich für ein solches Problem im Köcher:

Pumpe / Vakuumtisch

Bei der Arbeit mit porösen Werkstoffen ist es wichtig, dass der Tisch selbst einen geringen Durchströmungswiderstand aufweist. Nur so fällt der Großteil des Unterdrucks am Werkstück ab, was zu höherer Spannkraft führt. Hier wäre nach dem Motto “viel hilft viel” also eine Pumpe mit mehr Durchsatz, ein Tisch mit größeren Saugöffnungen und ein Vakuumverteiler mit größeren Schlauchdurchmessern angemessen. Kommt für mich aber überhaupt nicht in Frage.

Haftvermittler

Ich könnte probieren, eine grobmaschigere Gummimatte zu verwenden. Mit einem 20mm Lochraster etwa verdreifacht sich der Widerstand für den Querluftstrom, sodass Außenbereiche nicht mehr so stark vom Druckverlust betroffen sind. Zudem besitzt eine solche Matte mehr Gummifläche, was die Haftreibung erhöht.

Klebeband statt Frischhaltefolie auf der Materialoberfläche löst das Problem des Verfangens im Fräser und verschließt lokal die Poren des Werkstoffes, kann also die Haltekraft in kritischen Bereichen verbessern.

Natürlich können auch auf einem Vakuumtisch gängige Methoden wie die Aufbringung doppelseitigen Klebebandes oder das Festschrauben des Werkstückes angewandt werden. Mache ich aber nicht - denn dann müsste ich mir ja eingestehen, dass mein Vakuumtisch nicht für alle Fälle geeignet ist.

Haltestege, Spannvorrichtung

Diese Lösung zielt darauf ab, Verdrehen und Verschieben des Werkstückes zu vermeiden. Der Vakuumtisch wird hier nur noch zum Niederhalten verwendet, während eine passend angefertigte Halterung Kräfte in XY-Richtung aufnimmt. Im Bild sind Halterungen für die Schablone sowie das Zahnrad zu erkennen, die ebendiese Aufgabe erfüllen. Sie werden auf dem Maschinenbett befestigt und benötigen einen präzisen Nullpunkt, um die Kanten versatzfrei brechen zu können.

Ich verwende eine Spielpassung mit 0.1mm Luft zwischen den Komponenten. Ist das Spiel kleiner, benötige ich zu viel Kraft, den Rohling einzusetzen. Setze ich größere Werte an, lassen sich die Werkstücke zu stark verdrehen.

Mit dieser Variante kann ich verzogene Werkstücke geradeziehen, weiterhin sehr feine Gravuren anfertigen und gehe trotzdem sicher, dass mir nichts mehr verrutscht.

Nachteilig sind der Zeit- und Materialaufwand für Planung und Herstellung individueller Halterungen bzw. Schablonen.

Modifikation des Werkstückes

Dies liegt auf der Hand: Ich kann das Werkstück in seinen Eigenschaften so verändern, dass es undurchlässiger wird für Luft. So kann ich z.B. die Unterseite mit einer Folie bekleben und damit zusätzlich die Haftreibung verbessern.

Wer wie ich nicht so gerne Plastik verwendet: Ich habe herausgefunden, dass Backpapier / Frischhaltepapier aus ungebleichtem Zellstoff kaum Luft hindurch lässt. Demnächst probiere ich mal aus, Materialien damit zu bekleben bzw. von Durchfräsung betroffene Bereiche damit abzudecken statt mit Kunststofffolie.

Liegt ein solches Problem regelmäßig vor, sind Rastervakuumtische mit Dichtschnur eine hervorragende Lösung: Hier mittels einer linienförmigen Dichtung an den Außenkanten des Werkstückes gegen den Umgebungsluftdruck abgedichtet, sodass Werkstückkanten keine Chance bekommen, sich hochzuwölben. Bei meinem Lochrastertisch jedoch wirkt die gesamte Fläche der Gummimatte als Dichtung, sodass die Wölbung in Form einer Kontaktlinie auf der Matte vorliegt. Linien haben jedoch keinen Flächeninhalt, und nur durch jenen kann mein Tisch niederhalten. Dies ist übrigens auch der Grund, warum biegsame Materialien wie Folien so leicht vom Vakuumtisch abgezogen werden können. ↩︎

Maker Faire Ruhr 2024

Schallbert — Mon, 25 Mar 2024

Vorbereitung

Seit Anfang Januar bereiten sich zwei meiner Freunde und ich auf die Maker Fair Ruhr in der DASA Dortmund vor. Im Zuge dessen habe ich Faserplatten furniert, Rohlinge für Gravuren ausgeschnitten, Tischdecken besorgt, PC-Gehäuse bearbeitet, Zahnräder gefräst, LED-Streifen programmiert, ein Standschild designt, eine CNC-Maschine eingerichtet, sie für den Gravurbetrieb optimiert und so weiter…

Als der Termin dann nahte, wurde es dann doch knapp. Es geht schon eine Menge Zeit und Koordination in so eine Messevorbereitung.

Impressionen von der Maker Faire Ruhr 2024.

Hier wird der Vakuumtisch in Betrieb genommen und getestet.

Die CNC-Maschine für die Messe. Fertig eingerichtet und betriebsbereit.

Selbstgefräster Schilder für die dargestellten Projekte.

Das Standschild für einen guten Freund, der Retro-PCs und -Spiele ausstellt.

Schöner Abfall - ein Reststück Acrylglas in Form einer Welle

Das Gegenstück zur Welle: Ein PC mit einzigartigem Fenster, selbstgefräst.

Die LED-Streifen sind fertig programmiert und alles steht an seinem Platz.

Retro-2000er-PCs sind aufgebaut und vernetzt. Bereit zum Spielen.

Die betriebsbereite CNC-Maschine auf der Messe.

Bereits einige Besucher, Maker und Interessierte am Samstag.

Backstage des betriebsbereiten Standes.

Doch am Sonntag war noch viel mehr los.

Projekte

Auf der Messe wollte ich ein paar meiner schönsten Projekte vorstellen wie etwa den Seifenbutler, meine übergroßen Spirographen und Besuchern ermöglichen, eigene Schilder graviert zu bekommen, nach Bedarf sogar mit QR-Code.

Damit die Fräsarbeiten schnell von der Hand gehen, habe ich Rohlinge gefertigt, die später nur noch graviert werden mussten. Die Spirographen musste ich wegen der erforderlichen doppelseitigen Bearbeitung ebenfalls vorab fertigen.

Maschinen

Ich konnte ein paar Firmen davon überzeugen, mir Maschinen und -Teile für die Messe zu leihen:

Von Sorotec borgte ich mir eine “Hobbyline4530”, deren kleinste und leichteste Maschine.

Die Firma Stritzelberger stellte mir einen zur Maschine passenden Vakuumtisch inkl. passender Pumpe zur Verfügung.

EdingCNC unterstützte bei der Einrichtung ihrer Software, lieh mir Aussteller für die aktuellste Steuerungshardware und kam schließlich sogar live an meinem Messestand zwecks Austausch vorbei.

Das Standschild

Für das Standschild habe ich mir etwas ganz Besonderes ausgedacht: Ein Planetengetriebe! Drei bewegliche Zahnräder umkreisen hierbei ein feststehendes Sonnenrad. Um das Standschild aufhängen und das Getriebe dabei randlos behalten zu können, kam für die Planetenträger keine mittig gelagerte Achse in Frage.

Diese Aufgabe übernimmt ein durch das Sonnenrad verdecktes, durch drei Kugellager (Bild: Im 120°-Winkel angeordnet, montiert auf den Zähnen des Sonnenrads) gehaltenes Hohlrad. Es wird von einem Schrittmotor mit der Untersetzung 1:5 angetrieben. Das Hohlrad bietet Aufnahmen für die Planetenträger. So bekomme ich den mittleren Bereich des Sonnenrades frei und kann dort sowohl Antriebsmotor als auch Beleuchtung und Schildhalterungen unterbringen.

Ein auf meinem PeerTube-Kanal befindliches Video zeigt, wie ich das Standschild mit meiner CNC-Portalfräse fertige.

Herstellung Standschild↗

Verzögerungen

Wie immer bei solchen größeren Unternehmungen ging bei den Vorbereitungen auch einiges schief:

Ablösung des Vakuums bei der Fertigung der Spirographen

Die Spirographen wollte ich aus furniertem MDF herstellen, da das Material sehr schön anzusehen und gleichzeitig stabil genug ist, dass es auch bei rauer Behandlung keinen Schaden nimmt. Also habe ich 10mm starke mitteldichte Faserplatte mit Olivenholzfurnier beklebt (zeitraubend!) und es dann auf meiner Portalfräse beareitet.

Da ich ein Vakuumspannsystem verwende, ist es total wichtig, einen Mindestunterdruck zu erreichen, da mir sonst die Werkstücke nicht an Ort und Stelle bleiben. Nun ist MDF luftdurchlässig, sodass die Pumpe selbst bei noch nicht bearbeiteter Platte gut zu tun hat. Die Geometrie meines Entwurfs für die Spirographen ist nun leider so, dass die für das Spannen verbliebene Oberfläche bei der Bearbeitung immer weiter sinkt.

In letzter Konsequenz hatte ich das Problem, dass sich die Zahnräder spätestens bei der Kantenbearbeitung der Rückseite mitdrehen wollen. Sogar meine verzweifelten Versuche genügend Unterdruck aufrecht zu erhalten, indem ich großflächig Frischhaltefolie auf dem Werkstück aufbrachte, scheiterten.

So erhielt ich anstatt der geplanten zehn Spirographen nur vier - die Restlichen waren Ausschuss. Merke: MDF ist auf meinem Vakuumspannsystem nur für großflächige Werkstücke einsetzbar.

Problematische Zahnradpaarung beim Spirographen

Der erste Spirograph aus MDF war zudem leider gar nicht richtig zu gebrauchen: Ständig verklemmte sich ein Zahn auf der Flanke des Hohlrades und weigerte sich, in Eingriff zu gehen. Die Ursachen dafür liegen darin, dass ich kein Flankenspiel vorgesehen und die Zahnköpfe ohne Radius gefertigt hatte.

In der Folge muss das Zahnrad immer kräftig gegen das Hohlrad gedrückt werden, um den nächsten Zahneingriff zu ermöglichen. Rutscht das Zahnrad nur ein paar Zehntelmillimeter heraus, so blockiert es. Abhilfe: Sowohl Zahnrad- als auch Hohlradzahnköpfe mit r=3.0mm versehen und die Zahnradpaarung mit Flankenspiel von a=0.25mm konstruieren.

Falsch gravierte Schriften auf dem großen Standschild

Hier habe ich mich sogar zweimal vertan und damit leider viel Ausschuss produziert. Beim ersten Versuch hatte ich übersehen, das Zahnrad für die rückseitige Bearbeitung zu spiegeln. Ich dachte, das sei nicht nötig, weil das Zahnrad selbst spiegelsymmetrisch ist. Leider waren die Haltestifte aber nicht spiegelsymmetrisch eingelassen, sodass sich die Rückseite leider nicht in Deckung mit der Vorderseite befand.

Beim zweiten Versuch - siehe Video oben - hatte ich dies zwar behoben, jedoch vergessen, den Nullpunkt ensprechend der neuen Zentrierstiftlage auf der Rückseite anzupassen. Zum Glück habe ich das während der Bearbeitung bemerkt und konnte korrigieren.

Retro-PC Fensterfertigung

Bei einem der drei Retro-PCs habe ich die Gehäuserückseite um 180° gedreht aufs Maschinenbett gelegt. Das Fenster wurde also “verkehrt herum” gefräst, was ich erst nach Beendigung des Fräsjobs bemerkte. Zum Glück konnte mein Freund durch Feilen und Biegen der Rastnasen dafür sorgen, dass die Gehäuserückseite auch “verkehrt herum” am PC angebracht werden konnte.

Bei der Fertigung des letzten Fensters verhakte sich der Spanschutz im Gehäusefalz und brach, da ich die Maschine nicht rechtzeitig zum Stehen bekam. Dies konnte überhaupt nur passieren, weil sich der Spanschutz durch die Vibrationen bei der Bearbeitung lockerte. Merke: Die Fräse ist kein Spielzeug. Also keine Kompromisse machen oder halbgare Provisorien anbringen!

Die Maker Faire Ruhr 2024

Die Messe selber war super. Ich wurde sehr freundlich empfangen und seitens der DASA erhielt ich hervorragende Unterstützung beim Ausladen und aller weiterer Logistik. Auch der mir zugeteilte Stand war toll: Sehr groß, gut gelegen, mit ausreichend Steckdosen - was will man mehr.

Ich hatte eine Firma zu Besuch an meinem Stand, Familie und Freunde waren gekommen und sogar einige Leute aus den CNC-Foren sowie ein paar Arbeitskollegen waren extra angereist. Mehr kann ich mir nicht wünschen.

Aufbau

Beim Ausladen kam uns zum Glück ein Stapler zur Hilfe.

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Unloading the CNC

Alles Weitere war Handarbeit und nicht deutlich anders, als für ein Musikkonzert aufzubauen: Tische rücken, Stromleitungen legen, Lichtanlage montieren, Ausstellungsstücke aufbauen.

Besucher

Für meine erste Maker Faire kann ich eine positive Bilanz ziehen: Es waren echt viele Leute an unserem Stand und ich hatte kaum ein paar Minuten zum Ausruhen - ständig gab es etwas zu erzählen, meine Projekte vorzustellen oder über die ausgestellte Maschine zu sprechen. Aber genau das war es ja, was uns an diesem Format gereizt hat. Außerdem hat die Technik funktioniert, die Maschine lief problemlos und alle Dinge, die ich so lange vorher vorbereitet hatte (wie etwa das Standschild), konnten ausgestellt bzw. im Betrieb gezeigt werden.

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QR-Codengrave Demonstration

Was ich beim nächsten Mal trotzdem anders machen würde

Die Maker Faire ist vom Setup her keine Verkaufsmesse, sondern ein riesiges Show & Tell. Daher würde ich nicht nochmal einen kostenpflichtigen Verkaufsstand buchen, denn das hat sich in meinem Falle nicht gelohnt.
Ein bis zwei Personen mehr für die Standbetreuung wären prima. Dann könnte man sich mal ablösen.
Mehr Material für die Spirographen! Die Stifte waren am Ende der Veranstaltung komplett durch und Papier hatten wir schon Mitte des zweiten Tages keines mehr.
Mehr Vorträge / Demos. Die Fräse lief zwar schon oft, aber es mangelte dann doch an Vorlagen und Wünschen seitens der Besucher. Beim nächsten Mal werde ich mehr eigene Designs mitnehmen und auch ohne Anfrage zu Demozwecken fertigen.
Bessere Verweise auf die Internetpräsenz vorbereiten, denn ein QR-Code alleine hilft da nicht allen weiter.
Mehr Kaffee: Die Versorgung mit Heißgetränken (und jetzt wo ich es schreibe, auch die mit Nahrung) war unterdimensioniert und leider auch nicht so schmackhaft, wie ich mir das gewünscht hätte. Also besser selbst Stullen schmieren und Thermoskannen mitbringen.

Kleinteile fräsen

Schallbert — Wed, 01 Nov 2023

Warum kleine Teile überhaupt fräsen?

Es ist meist schwierig, sehr kleine Teile zu fertigen, zudem wenn sie nur in geringer Stückzahl benötigt werden. Spritzgießen lohnt sich hier nicht und 3D-Drucker wie sie im Hobbybereich eingesetzt werden sind erfüllen nicht die Toleranzanforderungen für meine Passungen. Die Laserschneider, auf die ich Zugriff habe, können das Teil ebenfalls nicht fertigen, weil es verschiedene Oberflächenhöhen hat. Auf die Option, das Teil in Fernost anfertigen zu lassen, möchte ich verzichten.

Dennoch: Diese Teile können auf einer Fräsmaschine gefertigt werden. Dieses Video zeigt, wie:

Kleinteile fräsen↗

Welche Ausstattung muss die Maschine dafür besitzen?

Einen Vakuumtisch
Eine Vakuumpumpe, vorzugsweise mit hohen Unterdrücken
Etwas Frischhaltefolie
Ein Vakuumvlies

Wofür ist dieses Kleinteil?

Das im Video gefertigte Teil gehört zu einem meiner Seifenbutler. Die aktuelle Version kann an jeder handelsüblichen Duschstange mit Durchmesser von 18-25mm befestigt werden und benötigt dieses Teilchen zum Klemmen. Es drückt sich an der Rückseite an die Stange und sorgt so dafür, dass der Seifenbutler weder verrutscht noch wackelt.

Mit diesem Upgrade gegenüber früheren Versionen ist der Seifenbutler nicht nur in der Lage, festes Shampoo zu halten, sondern auch die viel schwereren Shampooflaschen.

Der “Klemmer” muss ohne merkliches Spiel in seine Führung passen und dennoch leichtgängig zu verschieben sein, um sich an verschiedene Duschstangendurchmesser anpassen zu können.

Was muss noch beachtet werden?

Frischhaltefolie: Wenn Teile ausgeschnitten werden, sollten sie nicht zu groß sein. Ansonsten wird die Folie vom Fräser mitgerissen und hinterlässt hässliche Spuren im Werkstück. Außerdem kann sie eine Unwucht erzeugen, die bei hohen Drehzahlen zu Beschädigung des Fräsers oder sogar der Maschine führen kann. Um das Einziehen zu vermeiden hilft das Anbringen eines kleinen Stückes doppelseitigen Klebebandes auf dem auszuschneidenden Teil.
Vakuumvlies: Das Vlies wird bei Anlegen des Vakuums auf weniger als die Hälfte seiner Höhe zusammengepresst. Es ist also erforderlich, die Werkstückhöhe bei angelegtem Vakuum abzunullen.
Nicht ganz durchfräsen sondern eine dünne Materialschicht stehen lassen. Ihre Stärke hängt vom bearteiten Material ab. Bei PMMA lasse ich 0.3mm stehen, bei Holz 0.7mm.
Ich berücksichtige die Frischhaltefolie (etwa 10µm stark) nicht beim Einmessen der Werkstückhöhe, da sie sich in der Größenordnung meiner Maschinentoleranz befindet. Dickere Schutzfolien (20-30µm), wie sie z.B. bei Plexiglas und Dibond verwendet werden, hingegen schon - zumal sie doppelseitig aufgebracht sind.

DIY Kantenfinder

Schallbert — Sun, 21 May 2023

Als CNC-Bediener muss ich bei manchen Arbeiten genau wissen, wo sich mein Werkstück befindet. Daher benötige ich in solchen Fällen die X/Y-Werte einer Ecke des Werkstücks im Maschinenkoordinatensystem. Bisher habe ich dieses Problem mittels eines V-Fräsers gelöst, dessen Spitze ich manuell auf die Kante des Werkstücks verfahren und immer wieder mit Augenmaß geprüft habe, ob die Positionen übereinstimmen.

Das Problem

Obwohl diese manuelle Methode relativ schnell und unkompliziert anzuwenden ist, so ist sie für die meisten Aufträge nicht mehr genau genug. Als ich in die doppelseitige Bearbeitung eingestiegen bin wie damals mit Dibond war der Versatz so groß, dass ich die ersten Teile nur noch entsorgen konnte.

Lösung

Ich habe mein Problem mit dem Hersteller meiner Fräsmaschine besprochen - in der Annahme, dass ich einen elektrischen, in die Spindel einzuspannenden Kantentaster “3D finder” empfohlen bekommen würde und nun wieder viel Geld und Arbeit in Kauf und Einrichtung eines solchen Messwerkzeugs fließen müsse. Da lag ich aber falsch. Stattdessen erhielt ich einen Tipp, wie ich einen einfachen aber genauen Kantenfinder bauen kann, der zudem praktisch nichts kostet.

Einzelteile

Roy sagte “Na ja, das Einzige, was du dafür brauchst, ist ein Kugellager. Befestige es auf einer Achse und wechsle sie in die Spindel ein wie jedes andere Werkzeug auch. Lasse die Spindel im niedrigen Drehzahlbereich laufen und bewege die Maschine langsam in Richtung Werkstückkante. Sobald der äußere Ring des Kugellagers nicht mehr mitläuft, hast du die Kante gefunden.” Alles was ich dann noch tun muss, ist, den Radius des Kugellagers auf die Maschinenposition zu addieren und ich habe die Position bestimmt.

Aufbau

Ich fand die Idee genial. Da ich leider kein gut sortiertes Metallfachgeschäft in der Nähe habe, durchwühlte ich den Haushalt nach einem Kugellager. Voilà, meine Kinder haben einen Fidget Spinner, den sie eine Weile nicht mehr benutzt haben. Also habe ich ihn… stibitzt. Er enthält ein Kugellager mit 22mm Durchmesser für eine 8mm Welle.

Hierfür bot sich der Schaft eines stumpfen 8mm Bohrers an. Also schnitt ich ihn in der Mitte durch, setzte den Schaft in das Kugellager ein und befestigte ihn mit einem Tropfen Kleber - Fertig!

Kanten finden

Wechseln Sie den selbstgebauten Kantenfinder in die Spindel ein und verfahren sie in die Nähe des Werkstücks
Schalten Sie die Spindel bei niedriger Drehzahl ein, z.B. S500....S3000
Optional: Für eine einfachere Positionsbestimmung wechseln Sie in das Maschinenkoordinatensystem
Lassen Sie die Maschine langsam in Richtung des Werkstücks fahren, z.B. mit dem Kommando G01 X<endpunktImWerkstück> F1
Drücken Sie auf Stop/Pause, sobald das Lager sich nicht mehr mitdreht
Notieren Sie sich die Maschinenkoordinaten bzw. verschieben das Arbeitskoordinatensystem der angetasteten Achse G92 auf diesen Punkt
Wiederholen Sie ab Schritt 2 für die nächste Achse

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Einfacher Kantenfinder im Einsatz.

Hardware Test

Schallbert — Sun, 23 Apr 2023

Ein neuer Antrieb

Kürzlich habe ich Zerspanobert ein Spindel-Upgrade gegönnt. Ich bin jetzt auf eine Drehstrom-Asynchronmaschine umgestiegen, welche mit einem 24V-Lüfter fremdgekühlt wird. Für den Betrieb im benötigten Drehzahlbereich musste ich in einen Frequenzumrichter investieren, der in meinem Falle wie beim vorigen Fräsmotor auch über ein analoges 0-10V Signal gesteuert wird. Aus Sicht der CNC ist die neue Spindel bis auf eine Ausnahme identisch mit der alten: Der Frequenzumrichter kann nun ein “Not-Aus” Signal erzeugen und an die Steuerung melden, z.B. wenn die Drehzahl ungeplant abfällt, zu lange ein Überlastzustand auftritt etc.

Wie man sich vorstellen kann ist das neue Subsystem rund um die Spindel deutlich komplizierter als das alte.

Warum extra Tests?

Mit höherer Systemkomplexität erhöht sich auch das Risiko für Fehlfunktionen. Es sind eine Menge mehr elektrischer, elektronischer und mechanischer Bauteile verbaut als bei meinem Fräsmotor, die selbst Defekte aufweisen oder bei falscher Verdrahtung selbst in Rauch aufgehen können. Da ich als Systemdesigner selbst nur ein Mensch bin der Fehler macht, wäre es nicht besonders schlau, das System irgendwie zusammenzustecken und dann direkt auszuprobieren.

Während ich die Verdrahtung erstellte, überlegte ich mir also, wie ich das System effizient testen könne, ohne etwas zu zerstören.

Teststrategie

Ich habe die unterschiedlichen Testbereiche von meiner Arbeit in der Softwareindustrie geborgt. Sie passen hier denke ich recht gut hinein:

Unit: Ein Test, der das Verhalten einer Komponente des Systems isoliert überprüft. Alle externen Einflüsse wurden entweder entfernt oder durch Komponenten ersetzt, auf die im Test selbst problemlos zugegriffen werden kann. Beispiel: Prüfe, ob der Lüfter bei Anlegen seiner Betriebsspannung wie erwartet im richtigen Drehsinn anläuft.
Integration: Diese Tests prüfen das Zusammenspiel verschiedener Komponenten, welche gemeinsam eine Funktion abbilden. Beispiel: Überprüfe, ob die Luftkühlung der Spindel auch nach Abschalten derselben für eine bestimmte Zeit nachläuft.
Subsystem: Verifiziert die korrekte Interaktion aller Komponenten eines Subsystems. Beispiel: Die Spindeldrehzahl kann über eine analoge Spannung am Eingang des Frequenzumrichters verändert werden.
System (End2End): Diese Tests werden aus Kundensicht ausgeführt und durchlaufen das komplette System. Beispiel: Wenn ich den Not-Aus an der CNC betätige, muss der Frequenzumrichter die Spindel umgehend sicher zum Stillstand bringen.

Teste früh

Aus meiner Erfahrung macht es Sinn, die Tests zum frühestmöglichen Zeitpunkt durchzuführen. Nachdem die Spindel geliefert worden war, konnte ich auf diese Weise sofort nachvollziehen, ob alle Lager leichtgängig sind, ob der Lüfter funktioniert und ob der elektrische Widerstand der Statorwicklungen im erwarteten Bereich liegt. Alle diese Tests waren durchführbar noch bevor ich mit dem Bau des Schaltschranks überhaupt begonnen hatte.

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Unit test: Lüfter

Die schnell und einfach durchführbaren Unit Tests können einen Haufen Zeit sparen, denn diese Fehlerquellen kann man später bei der Inbetriebnahme direkt ausschließen. Und findet man doch etwas so früh, kann man sich direkt um Ersatz kümmern und hält nicht den Einrichtbetrieb auf.

Teste “von unten nach oben”

Bei den vier Testebenen versuche ich, so viel wie möglich mit einfachen und schnellen Unit Tests abzudecken. Was hier noch nicht geht, wird jeweils auf der nächsthöheren Ebene abgearbeitet und so weiter. Am Ende möchte ich nur ein paar Wenige Tests aus Kundensicht durchführen, da diese meist einen größeren Aufwand für Vor- und Nachbereitung benötigen und außerdem zumeist nicht genau in der Lage sind, den Fehler zu lokalisieren.

Dies deckt sich mit dem Konzept der Testpyramide, welche in der Softwareentwicklung des Öfteren herangezogen wird.

Testplan

Für meine privaten Hobbyprojekte schreibe ich üblicherweise keinen Testplan. Meine Systeme sind meist deutlich einfacher als dieses. Außerdem benötigen nur die wenigsten potentiell gefährliche Niederspannung wie in diesem Fall.

Um das System besser zu visualisieren habe ich mal einen groben Schaltplan mit allen Komponenten sowie relevanten Ein- und Ausgängen gezeichnet.

Von diesem Bild habe ich einen Testplan abgeleitet. Hierbei habe ich versucht, die Interaktionen jeder Komponente mit jeder anderen abzudecken und wenn möglich versucht, dem Komponententest den Vorrang zu geben.

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Unit test: Stromversorgung +24V OK

Hier überprüfe ich die Versorgungsspannung für den 24V-Lüfter

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Unit test: Abfallverzögerung

Mit diesem Test stelle ich sicher, dass die Konfiguration der Anzugs- und Abfallverzögerung wie gewünscht funktioniert. Für den Test habe ich kürzere Zeiten gewählt als später im produktiven Betrieb.

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Integrationstest: FU Inbetriebnahme

Hier prüfe ich, ob der Frequenzumrichter die Spindel mit der korrekten Drehrichtung und mit unterschiedlichen Drehzahlen betreiben kann.

Ausführung der Tests

Es gibt natürlich noch viele weitere hardwarebasierte Tests die ich oben nicht erwähnt habe. Dinge wie “ist die Spindel korrekt mit der Z-Achse ausgerichtet?” “Habe ich alle Schrauben mit dem vorgeschriebenen Drehmoment angezogen?” “Sind alle Stecker angeschlossen und verriegelt?”

Bevor ich nach dem Umbau also das erste mal wieder Späne mache, habe ich den Testplan komplett abgearbeitet und tatsächlich ein Problem auf Systemebene entdeckt: Ich habe den Analogausgang zur Vorgabe der Spindeldrehzahl falsch verdrahtet, sodass andere Pins das Signal führten als geplant. Dies führte dazu, dass sich die Spindel trotz Freigabe nicht starten ließ, obwohl die CNC “Spindel läuft” ausgab.

Dank der vorausgehenden Tests am Frequenzumrichter (“Reacts to speed command”) habe ich nur Minuten benötigt um den Fehler zu finden und zu beheben - denn ich wusste, am FU liegt’s nicht.

Dokumente

Falls Sie planen, eine Frequenzumrichtergesteuerte Motorspindel an Ihrer Maschine einzusetzen, können Sie sich meinen Testplan kostenlos herunterladen. In case you plan on adding a VFD-controlled spindle motor to your machine, please find my full test plan below.

VFD-controlled spindle motor test plan

Aber bitte betrachten Sie diesen Plan mehr als Unterstützung denn als vollumfängliche Prüfung und beachten Sie vor allem die üblichen Warnhinweise:

⚠️ Warnung vor gefährlicher Spannung ⚠️

Dieses System sollte nur von Profis konstruiert, zusammengebaut, angepasst, in Betrieb genommen und schließlich fachgerecht geprüft werden. In diesem Falle meine ich mit “Profi” jemanden, der eine abgeschlossene Berufsausbildung zum Elektriker oder Elektroniker, optimalerweise in der Fachrichtung Anlagenbau/Betriebstechnik sowie Erfahrung im Umgang mit Industrieelektronik vorzuweisen hat. Vermeiden Sie insbesondere, unter Spannung stehende Teile zu berühren oder an einer der Komponenten zu arbeiten, bevor der Frequenzumrichter nach dem Abschalten genügend Zeit hatte, seine Pufferkondensatoren zu entladen.

Dibond Tests

Schallbert — Fri, 10 Mar 2023

Anmerkung: Die in diesem Artikel analysierten Gravuren sind recht fein. Die Schrifthöhe beträgt zwischen 3 und 6mm, und die Größe des Werkstückes liegt bei 80x80mm. Blickt man von einer Distanz von 30cm oder mehr auf das Werkstück, so sind die rauen Kanten etc. nicht mehr wahrnehmbar.

Weitere Qualitätsverbesserungen bei Arbeiten mit Dibond

Die in meinem letzten Fräsprojekt in Dibond erzielten, nur mittelmäßigen Ergebnisse wollte ich so nicht auf mir sitzen lassen. Deshalb habe ich mögliche Einflussgrößen ersonnen und niedergeschrieben.

In diesem Artikel versuche ich, sie Stück für Stück zu analysieren und schließlich, falls erforderlich, auszuschalten.

Mögliche Gründe für schlechte Qualität

Untersuchung der Fräser

Ich bin kein Fräserexperte, aber ich kann mir kaum vorstellen, dass ein VHM-Fräser nach nur dreißig Arbeitsminuten in Kontakt mit 0.3mm starkem AlMg1 stumpf sein soll (Na gut, da mögen ein paar Zusätze drin sein für die gebürstete Oberfläche samt Färbung). Die Schneiden sehen recht sauber aus. Das Einzige, was mir auffällt, ist eine dünne Schicht Aluminium, welche der Schneide anzuhaften scheint.

Diese habe ich vorsichtig mit einem Cuttermesser entfernt. Nun sehen sie wieder normal aus.

Schneidengeometrie

Die für diesen Test verwendeten Fräser haben keine Spiralnut zur Spanabfuhr, sondern sind auf der Eingriffseite offen ausgeführt. Daher ist aber auch stets die komplette Schneide im Eingriff und ich frage mich, ob das einen Unterschied macht. Vielleicht wäre eine gewundene Schneide (Habichtschnabel, Helix) hier besser geeignet?

Hintergrund dieser These ist, dass mein CAM-Werkzeug für Gravuren keine Pendelbewegung oder Helix zum Eintauchen verwendet sondern stets gerade in das Material eintaucht. Wenn man bei den Bildern unten (z.B. in der Vergrößerung des t) genau hinsieht, so erkennt man Kratzer im Klarlack, wo der Fräser ins Material eingetaucht ist und die Späne nicht hat rechtzeitig abführen können.

Auf der anderen Seite werden spiralgenutete Fräser das Material nach oben ziehen. Da das Aluminiumblech lediglich thermisch mit dem PE-Kern verklebt ist, könnte die Haltekraft besonders bei filigranen Gravuren durchaus zu gering sein und sich die Aluminiumschicht ablösen - die Gefahr ist besonders hoch bei Inseln, wie es sie z.B. bei den Buchstaben e, a, o, g, p... gibt.

Kurzgesagt Gravierfräser mit Spiralnut kaufen, ausprobieren und die Fräsergebnisse hier dokumentieren

Ungeeignete Parameter für Vorschub und Drehzahl

Ich habe die empfohlenen Parameter nochmal geprüft, mit dem Hersteller der Fräser besprochen und sie auch in ein paar Berechnungstools eingegeben. Optimalerweise werden sie bei noch höherer Drehzahl als 24000U/min betrieben, was an meiner Maschine allerdings das Maximum ist - also behalte ich das so bei.

Also bleibt mir jetzt noch der Vorschub zum Herumspielen übrig. Schnell eine Testgravur im CAD erstellt und im CAM dann mit verschiedenen Vorschüben abfahren lassen: F600mm/min, F800mm/min sowie F1000mm/min.

In diesem Bild kann man viele Dinge erkennen:

Die Beschriftungen für verschiedene Vorschubgeschwindigkeiten sind so klein geraten, dass der Gravierstichel nicht einmal die Aluminiumschicht vollständig durchbricht. Vielmehr quetscht er das Aluminium in die darunter liegende Polyethylenschicht und zur Seite weg.
Obwohl ich die Vorschubgeschwindigkeit um bis zu 20% pro Umdrehung verändere, bleibt die Schnittqualität gleich. Dies bestätigt, dass für meinen Stichel in Dibond ein Vorschub von F1000mm/min in Ordnung ist.
Es ist deutlich zu sehen, dass die äußeren Kanten der Gravur rau sind. Ich kann dies fühlen, wenn ich mit dem Finger über das Werkstück streiche.
Die inneren Ränder der Gravuren sind wirklich glatt. Sie glänzen im Gegensatz zu ihren matten Gegenstücken.
Die schwarzen, inneren Teile der Spirale sind sehr gleichmäßig und ohne Schnittspuren gefertigt.
Das große T des Wortes “Test” sieht etwas seltsam aus, da senkrechte Kerben an der Schnittkante auftreten. Darauf kommen wir später noch zu sprechen.

Kurzgesagt: Drehzahl- sowie Vorschubparameter sind OK und scheinen für mein Problem nicht die Ursache gewesen zu sein.

Gleichlauf- vs. Gegenlauffräsen

Um zu entscheiden, ob es bei der Verarbeitung von Aluminiumsandwichplatten eine bevorzugte Fräsrichtung gibt, schauen wir uns die Spirale etwas genauer an:

Die schmalere Linie wurde in einem Schritt gefertigt während die breitere einen zweiten Durchlauf mit nur Z-0.1mm Tiefenzustellung hat. Sofort ist zu erkennen, dass die Gravur außen viel glattere Kanten hat als innen. Die Spirale wurde von außen nach innen mit einer rechtsdrehenden Spindel gefräst. Das bedeutet also, dass außen im Gegenlauf und innen im Gleichlauf gearbeitet wurde.

Kurzgesagt wird auf einer CNC zwar eher der Gleichlauf empfohlen, bei der Bearbeitung von Dibond ist unter Verwendung von Graviersticheln jedoch im Gegenlauf mit deutlich besseren Ergebnissen zu rechnen.

Zu niedrige Gravurtiefe

Wie die Bilder oben zeigen, sollte die Aluminiumschicht beim Gravieren satt durchbrochen werden. Nach ein paar weiteren Tests konnte ich die minimale Gravurtiefe bei 0.3mm Schichtstärke des Blechs bei etwa 0.5mm ermitteln.

Zu hohe Gravurtiefe

Diese Mutmaßung ergab sich bei meinem vorigen Experiment mit Dibond. Zum Vergleich habe ich hier zwei verschieden Dicke Gravurpfade gefertigt. Tiefere Gravuren werden tatsächlich etwas sauberer, wenn man sie mit einem Schlichtgang nochmal nachzieht. Für schmale Gravuren halte ich die Verbesserung für vernachlässigbar. Daher ist eine Hohe Gravurtiefe meiner Einschätzung nach kein Problem.

Vibrationen

Betrachtet man erneut die Kerben und Unregelmäßigkeiten an der Schnittkante, so liegt der Schluss nahe, dass sie sich aus der gebürsteten Oberfläche ergeben. Tatsächlich nämlich wird die Oberfläche aber nicht gebürstet, sondern unter hohem Druck mit Hilfe von Walzen geprägt. Die Kerben könnten also durch Dichteunterschiede im Material begünstigt werden. Es gibt aber eine weitere mögliche Ursache: Maschinenvibrationen.

Die Texte wurden mit verschiedenen Vorschubwerten gefertigt. Die Zahlen geben hierbei den Vorschub an: 6 bedeutet 600mm/min und so weiter. Ich habe noch ein weiteres Bild gemacht, was die Buchstaben nochmal stärker vergrößert darstellt. Hier zeigt sich, dass die Texte bei größerem Vorschub ein klein wenig besser aussehen.

Im letzten halben Jahr habe ich viel mit den mechanischen Werten der Maschine experimentiert, um die Grenzen auszuloten. Ich habe damals recht hohe Werte für Geschwindigkeit und Beschleunigung festgelegt, da ich die Maschine für fähig hielt, diese zu unterstützen. “Unüblich hoch” nannte der Hersteller der Steuersoftware diese Werte, als ich ihn wegen eines anderen Problems kontaktierte (“Velocity was higher than max!”).

Also habe ich ein weiteres Teststück designt, wo ich nur gerade Linien und Texte gravieren würde, sodass rechtwinklige Ecken entstehen an denen die Maschine auf null abbremsen und von dort wieder beschleunigen würde.

Dieses mal habe ich den Vorschub bei F1000mm/min belassen, aber in jedem Durchgang die Beschleunigungswerte der Maschine verändert.

Dieses Experiment zeigt, dass die vertikalen Kerben bei geringerer Beschleunigung deutlich weniger sichtbar werden und unterhalb irgendwann sogar ganz verschwinden. Da ich die Maschine für diese Anpassung stets neustarten musste, waren Werkzeug und Z0-Höhe immer neu einzumessen. Möglicherweise hatte ich ein Staubkorn unter dem Werkzeuglängensensor bei der Vermessung für die geringste Beschleunigung, daher kommt die Gravur hier nicht ganz so gut hervor.

Testergebnisse: Detailaufnahmen von Stichel und Material bei variabler Maschinenbeschleunigung.

The 6mm 90° 0.5m tip V-cut tool. At the cutting edge, there's a little built-up material.

It has been used for roughly 30minutes. The cutting edge looks intact.

Minimal residues of Aluminium seem to stick to its tip.

Also here, the tip colour is different than the rest of the bit.

Result with high machine acceleration

Result with medium machine acceleration

Result with low machine acceleration.

Beleuchten wir kurz, ob die Maschine bei diesen kleinen Strukturen überhaupt die Zielgeschwindigkeit von F1000mm/min erreichen kann: Die Texthöhe beträgt s0=6mm, sodass die Maschine bei a=800mm/s², etwa t=F/a=20ms für die Beschleunigung auf den angepeilten Vorschub benötigt. Dabei legt sie eine Distanz von s=a/2*t^2=0.17mm zurück. Daher wird für s1=6-2*0.17=5.66mm mit voller Geschwindigkeit verfahren, z.B. für den vertikalen Strich im Buchstaben t. Hier sind die kinematischen Gleichungen mal wieder sehr nützlich gewesen 😃

Jetzt wäre es noch interessant, die Eigenfrequenz der Maschine in X-Richtung zu bestimmen, denn hier treten die Kerben ja auf. Meine Überschlagsrechnung ergibt: 11 Kerben auf 6mm Weg bei einer Geschwindigkeit von F1000mm/min --> F16.67mm/s ergibt fE=30Hz. Da die Anregung der Maschine in der “Ansteigenden” Halbwelle geschieht, sollte ich stets versuchen, die Maschine weit weg von t=1/(2f) = 16ms auf Zielgeschwindigkeit zu bringen und so die Resonanzfrequenz vermeiden.

Kurzgesagt: Die kinematischen Parameter sollten - besonders bei weniger steifen und eher leichten Maschinen - fein auf die jeweilige Fräsmaschine angepasst werden. Hierbei it es hilfreich, die Eigenfrequenz der instabilsten Achse zu kennen und “weiträumig” zu umschiffen. Für meine Maschine habe ich festgestellt, dass eine Beschleunigung von a=400mm/s² noch ausreichend zügig ist, meine Probleme mit am Werkstück sichtbaren Schwingungen aber löst.

Halterung des Fräsmotors

Ich wusste, dass dies bei Überlastung der Maschine ein Problem darstellen würde. Für Gravurarbeiten jedoch fräst die Spindel quasi im Leerlauf. Daher klammere ich diesen Aspekt hier aus.

Unwucht des Fräsers oder der Spannzange

Wenn dies der Fall gewesen wäre, hätte ich ungewöhnliche Geräusche oder Vibrationen der Maschine wahrnehmen müssen. Da dies alles nicht vorlag, schließe ich Unwucht des Werkzeugs als Ursache aus.

Maßnahmen

Fräser nach Benutzung prüfen und reinigen, bei übermäßigem Verschleiß austauschen.
Vermeiden von Gleichlauf bei der Verarbeitung von Dibond. Die Gravurpfade lieber minimal weiter auslegen und dann beide Seiten der Gravur im Gegenlauf fertigen.
Bei höheren Gravurtiefen einen Schlichtgang hinzufügen
Maschinenbeschleunigung in Verbindung mit Vorschüben bei weniger steifen Maschinen drosseln.
Vor Einstieg in die Fertigung ein paar Probefräsungen durchführen.

Dieses Teil wurde nach Ausführung der oben genannten Maßnahmen gefertigt.

Aluminiumverbundmaterial

Schallbert — Thu, 02 Mar 2023

Experimente mit Dibond

Ein Freund von mir gründet gerade eine Unternehmung. Er wollte etwas haben, was er seinen Kunden geben kann, etwas, an das sie sich erinnern und so erneut seine Dienste in Anspruch nehmen würden. Es sollte nicht der Standard-Kugelschreiber oder die Tasse sein. Sondern etwas, das etwas näher an dem dran ist, was er selbst tut. Irgendwas metallisches. Vielleicht eine Visitenkarte aus Metall, mit dreidimsionalen Touch. Etwas Graviertes.

Als ich passende Materialien recherchierte, stieß ich auf Aluminiumverbundplatten. Dies sind Sandwichplatten, die einen Kern aus Polyethylen besitzen, welcher auf beiden Seiten mit dünnen Aluminiumblechen kaschiert sind. Solche Platten sind bekannt unter den Markennamen Dibond®, Dilite®, Alcubond® etc. und werden blank oder beschichtet, lackiert oder sogar mit strukturierter Oberfläche angeboten.

“Der PE-Kern ist schwarz durchgefärbt, also könnte es sich prima für Gravurarbeiten eignen”, dachte ich.

Also habe ich ein paar Muster bestellt und sie meinem Freund gezeigt. Er war völlig aus dem Häuschen. Und so begann es.

Der Untersetzer

Wir überlegten, was wir alles mit diesem Material anstellen könnten. Es sollte leicht zu designen sein und nicht zu groß werden, sodass es leicht als Werbegeschenk weitergegeben werden kann.

Ich wusste, dass Alu-Sandwichplatten zu dreidimensionalen Objekten gefaltet werden können (Youtube video link) - Aber das schien uns zu kompliziert für den Anfang. Daher war die nächste Idee:

Untersetzer gravieren. Rund oder quadratisch mit abgerundeten Ecken, sogar besondere Formen sind möglich.

Ich begann, ein paar meiner Gravurfräser für ein paar Experimente auf das Material loszulassen. Die Qualität sah OK aus, war aber noch lange nicht perfekt. Die Aluminiumschicht neigt dazu, zu verschmieren und möchte dem Fräser ausweichen, also drückt es sich beim Eintauchen (90°) in das weichere Polyethylen ein und benötigt so höhere Gravurtiefen als die Blechdicke allein vermuten lassen würde.

Der Freund von mir meinte jedoch, ich solle es einfach weiter probieren. Und so bestellte ich ein paar Platten und setzte die Experimente fort.

Fräser, Vorschübe, Drehzahl

Da die Untersetzer filigrane Teile kleiner als 100x100mm sind, nutze ich kleine Fräser:

		[mm]	[RPM]	[mm/min]	[mm]	[mm]
Acrylfräser 30° upcut	1	2	24000	1600	800	3
Gravierfräser 90°	1	6	24000	1000	500	1.5

Die Werte mögen für die Aluminiumbearbeitung zu aggressiv sein, ich muss aber einen Mindestvorschub einhalten um den PE-Kern des Plattenmaterials nicht aufzuschmelzen. Die Späne sehen jedenfalls gut aus - kurz und dick. Mit diesen Werten gibt Zerspanobert beim Fräsen eine ruhiges, summendes Geräusch von sich.

Das erste Teil

Ich habe zuerst den Halter für die Untersetzer gefertigt. Er besteht aus vier Teilen, die einfach zusammengesteckt werden können. Sie müssen nicht geklebt werden, da ich eine Übergangspassung gewählt habe. Ich verwende einen Anschlag als Orientierung für den XY-Nullpunkt des Werkstücks, da ich beidseitig fräsen möchte. Auf diese Weise kann ich die Ausschnitte in einem letzten Schritt anbringen und den Vakuumdruck auf meinem Tisch bis zu diesem letzten Schritt aufrechterhalten. Außerdem wollte ich vermeiden, dass ich die Teile manuell nachbearbeiten muss.

Der erste Versuch war miserabel - die vorderen und hinteren Fräsbahnen waren nicht perfekt ausgerichtet. Schon ein paar Zehntelmillimeter Versatz zwischen Vorder- und Rückseite machen hier einen großen Unterschied, also musste ich die Ursache beheben (Kanten am Anschlag, die ich vorher nicht bemerkt hatte und die ich abschleifen musste) und es erneut versuchen.

Hier ist das Ergebnis:

Ich bin ziemlich zufrieden damit. Ich musste keine manuelle Nacharbeit leisten - die Teile sind einfach so aus der CNC gefallen. Die Fasen allerdings, die ich hinzugefügt habe, um dem Material eine glatte Oberfläche zu geben, waren leider von sehr unterschiedlicher Qualität. Während sie auf der “Rückseite” wirklich gut geworden sind, fühlen sie sich auf der Vorderseite viel rauer an. Hier musste das Werkzeug aber auch tiefer eintauchen.

Sechs Stück auf einmal

Dann wählte ich ein einfach herzustellendes Logo - das Bitcoin-Blitz-Symbol - und plante einige einfache Gravurpfade, um es zu gravieren. Auch hier habe ich zweiseitig gefräst, so dass das Material nicht vollständig durchtrennt wird. Unten bleibt eine hauchdünne Schicht Aluminium stehen, die in einem zweiten Durchgang auf der Unterseite beim Fase fräsen entfernt wird.

Die Maschine brauchte für diesen Job etwa 20min. Leider erwies sich der Anschlag als zu ungenau, um Vorder- und Rückseite mit demselben Nullpunkt passgenau zu fertigen. Der Ausschnitt an der Unterseite wich nur um ein oder zwei Zehntelmillimeter ab, was in meinem Fall die Gesamtabweichung verdoppelt, wenn ich ihn um seine diagonale Achse drehte. Auf diese Weise hatte ein Teil der Kontur meines Untersetzers eine sehr tiefe Fase, während die andere Hälfte überhaupt keine Fase aufwies.

Ich muss bald eine Lösung dafür finden. Bis dahin schleife ich die Kanten von Hand nach. Dann habe ich die restlichen Späne entlang der Gravurwege mit einer Zahnbürste entfernt und das obige Titelfoto aufgenommen.

Qualitätsanalyse

Nachdem ich das Teil genauer untersucht hatte, machte ich die folgenden Beobachtungen:

Prototypen eines Untersetzers aus Metall.

Top sheet machining complete. Cutout and engravings.

Coaster holder cutouts, bottom view

Rough edges where engravings are more deep

Less wide engravings looks more clean.

Residues and chips left in the engrave channels

Wondering why engrave quality reduces on deeper engravings

Alle Teile sehen gleich aus

Das sind doch gute Neuigkeiten. Es bedeutet, dass die Fräser, die ich erstmals bei vhf gekauft habe, scharf geblieben sind und ihr Durchmesser daher konstant war. Ich kann mit den eingestellten Schnittweiten also wahrscheinlich viele weitere Prototypen fertigen. Dibond scheint also ein weniger anspruchsvolles Material zu sein als HPL, wo meine Fräser oft nach zwei Teilen bereits abgenutzt sind und z.B. Passungen klemmen - mehr dazu in diesem Beitrag.

Es bedeutet auch, dass die Maschine keine Schrittverluste oder andere mechanische Probleme hat, und dass mein Klemmbereich eben ist, sodass der 90°-Gravierstichel sehr gleichmäßige Fräsergebnisse liefert. Linien behalten durch die zur Ausrichtung der Z-Achse orthogonale Ebene des Maschinentisches eine einheitliche Breite.

Breitere Gravuren sind qualitativ schlechter als schmalere

Ich bin mir nicht sicher, warum. Da ich noch kein Experte im Umgang mit Dibond bin und keine Ausbildung als Zerspanungsmechaniker vorweisen kann, muss ich raten: Bekommt der Gravierstichel die Späne nicht rechtzeitig aus dem Fräskanal heraus gefördert? Dadurch würde er sie bei der nächsten Drehung erneut erfassen und “durch das Material ziehen”.

Sollte dies der Fall sein, würde ein zusätzlicher Schlichtgang Abhilfe schaffen.

Kantenbrechen ohne vorherige Nutfräsung ergibt rauere Schnittkanten

Hier könnte ich es mit demselben Problem wie oben zu tun haben. Ich probiere es mal mit einem zusätzlichen Schlichtgang aus und schaue, ob es dann besser wird. Eine Tiefgehendere Analyse hierzu gibt es in diesem Beitrag Eine weitere Alternative wäre, mit Vorschub und Drehzahl herumzuprobieren um das Optimum herauszufinden. Dafür benötige ich aber erst einmal frisches Material 😅

Zweiseitige Bearbeitung? Werkstückposition präzise festlegen!

Offensichtlich war ich nicht in der Lage, die Position des Werkstückes nach dem Umdrehen auf die Rückseite mit Hilfe eines Anschlags genau genug festzulegen. Hier reichen ein paar Zehntelmillimeter Abweichung und die Sandwichplatte ist Schrott.

Lösungsansätze:

Einen Job00 einfügen, der Locatorlöcher (Positionsgeber) mit 5.04mm Durchmesser in einen Teil des Werkstücks einbringt, was später ein Abfallstück wird. Wenn ich sie symmetrisch platziere und diese Löcher ebenfalls im Frästisch fertige, so kann ich Passstifte einbringen, die mir die genaue Werkstückpositionierung beim Drehen auf die Rückseite sicherstellen.
Die Position des Anschlags überprüfen und sicherstellen, dass das Rohteil genau rechtwinklig und ohne Lichtspalt dort anliegt.
Ich könnte auch durchfräsen und die scharfen Kanten auf der Rückseite an einem Frästisch von Hand brechen. Da ich allerdings a) keine Frästisch besitze, b) meine Werkstücke oft sehr klein sind und c) Ich manuelle Nacharbeit verabscheue, wird dies wohl eine Rückfallebene bleiben für den Fall, dass die beiden obigen Lösungen für mich nicht funktionieren.

Einige Späne kleben in der Fräsnut fest

Ich habe keine Ahnung, warum. Werden die Späne zu heiß und schmelzen sich in die Polyethylenschicht ein? Ich werde wohl mal mit dem Fräserhersteller telefonieren müssen, um das zu klären.

Zusammenfassung

Alles in Allem kann ich einigermaßen zufrieden sein. Die Maschine ist in der Lage, Dibond und andere Aluminiumverbundmaterialien zu bearbeiten und die Ergebnisse sehen für einen ersten Versuch OK aus. Das Verbundmaterial nutzt die Fräser nicht übermäßig schnell ab und sieht einfach toll aus im Kontrast mit dem schwarzen Kern. Die Späne stören mich allerdings etwas, denn sie haften überall an und mögen ungern abgesaugt werden.

Dennoch. Die Qualität überzeugt mich noch nicht voll. Ich werde weiter probieren und meinen Fortschritt im Blog dokumentieren.

QR-codengrave V1.1 / V1.2

Schallbert — Sun, 12 Feb 2023

Kurze Fakten des Updates

Schnellerer Gravuralgorithmus und -Pfadoptimierung
Diverse Bugfixes
Bedienbarkeit verbessert

Demo Video

QR-codengrave Quick Demo↗

Version 1.1

Algoritmusoptimierung

Die Zeilen des QR-Codes werden nun horizontal eingelesen
Die Ausgabe der Pfade verläuft nun “rechts nach links”, danach “links nach rechts” und reduziert damit Maschinenbewegungen
Linien werden Punkten vorgezogen, da sie schneller gefertigt werden können
Linien werden nun vertikal und horizontal berechnet, die längere Linie bekommt den Vorzug
Eilgänge werden nun per XY-Vektor gefahren und nicht mehr nur eindimensional, was Zeit spart
Der neue Pfadalgorithmus benötigt 20% weniger Maschinenzeit

Bugfixes

Bei nicht vorliegendem Datensatz Persistence.dat wird das Startbild nicht angezeigt (qruwu.jpg)
Crash bei Klick auf Stop Draw wenn zuvor keine Zeichnung angefragt wurde
Crash bei Hinzufügen eines Werkzeuges bei leerer Werkzeugliste
Wird das Programm ohne Werkzeugauswahl gestartet, ist das dropdown-Menü gesperrt
Fehler in der QR-Code Größenschätzung
Fehler in der Blockbreitenberechnung bei Verwendung von V-Fräsern
Das gegenwärtig ausgewählte Werkzeug wird bei Start der Anwendung nicht im Dropdown-Feld angezeigt
QR-codes können größer dargestellt werden der Anzeigebereich

Bedienbarkeit

Default Werkzeugname geändert von name nach default zur besseren Verständlichkeit
Fräser mit geraden Schneiden (also kein V-cut) ist jetzt das Standardwerkzeug
Erstellen eines Offsets für den XY-Nullpunkt ist jetzt intuitiver gelöst (Y- nach unten, X+ nach Rechts)

Version 1.2

Kleine Änderungen zu 1.1, am Wichtigsten die Behebung eines Bugs, bei dem die Aufforderung zum Werkzeugwechsel verloren gehen kann. Außerdem werden die Winkel von V-Fräsern jetzt bei Berechnung von Pixelbreite und Größe der QR-Codes mit einbezogen.

Bugfixes

Werkzeugauswahl Tx und Werkzeugwechselkommando M06 befinden sich nun in derselben Zeile G-Code wie üblich und können so wie gewünscht Makros auslösen.
Das beim letzten Speichern verwendete Werkzeug wird nicht angezeigt, stattdessen das erste Werkzeug der Liste
Programmabsturz wenn versucht wird, den Jobstatus zu aktualisieren obwohl keine Gravurparameter vorliegen

Bedienbarkeit

Versionsnummer als Kommentar in G-code hinzugefügt
Prefix qr_ der Zieldatei im Datei-Speichern-Dialog hinzugefügt
Genauigkeit der Maschinenzeitabschätzung verbessert

Download

Der aktuelle Release ist hier zum Download verfügbar. Das Programm ist für die private Anwendung sowie Schulungszwecke kostenlos. Für weitere Informationen und Projektdokumentation stehen die readme sowie eine Projektseite zur freien Verfügung.

Upgrade von einer früheren Version

Es wird empfohlen, die Persistenzdatei von der alten Version in die neue Version zu übernehmen. Auf diese Weise werden gespeicherte Werkzeuglisten, Gravurparameter und XY-Offsets portiert. Und so geht’s:

Wechseln Sie in den Ordner, wo sich das QR-codengrave Programm befindet. Anschließend navigieren Sie zu src/assets.
Kopieren Sie die Datei Persistence.dat in einen temporären Ordner oder z.B. auf Ihren Desktop.
Entfernen Sie die alte Version durch Löschen des QR-codengrave Ordners.
Laden Sie die letzte Version herunter und verschieben Sie sie zur gewünschten Position auf Ihrem Rechner.
Verschieben Sie nun die vorab zwischengespeicherte Persistence.dat in den src/assets Ordner des aktualisierten Programms.

Vakuumpumpen

Schallbert — Fri, 28 Oct 2022

Was ist das?

Eine Vakuumpumpe ist ein Gerät, welches ein Gefäß evakuieren kann. Es ist also in der Lage, eine Menge an Gasatomen aus einem Gefäß zu entnehmen, sodass dieses schließlich weniger Atome pro Volumeneinheit enthält als das umgebende Medium. Dies erzeugt in dem Gefäß einen Unterdruck. Hier auf der Erde scheint es nicht möglich zu sein, die Zahl der Atome in einem Gefäß auf null zu senken, aber das ist natürlich für unsere Zweck auch nicht erforderlich. Ein technisches Grobvakuum ist hier vollkommen ausreichend.

Es gibt verschiedene Typen von Vakuumpumpen, jeder optimiert für andere Einsatzbedingungen. Doch mehr dazu später.

Wie kann die Vakuumpumpe Werkstücke festhalten?

Für Niederhalten und Spannen von Werkstücken mittels Vakuumpumpe wird ein Vakuumtisch (siehe mein Beitrag zum Thema) beziehungsweise eine Unterdruckklemmvorrichtung benötigt. Hier sind wir an der Druckdifferenz zur Umgebungsluftdruck (103000Pa = 10.3N/cm² = 1kg/cm²) interessiert. Dies ist die maximale Niederhaltekraft pro Fläche, die mit einem Vakuumtisch und dazu passend ausgelegter Pumpe theoretisch erreicht werden kann.

Volumenförderstrom vs. Unterdruck

Die wichtigsten Parameter einer Vakuumpumpe sind - wie bei anderen Pumpentypen auch - die maximal erreichbare Förderleistung, gemessen in m³/h (bei niedriger Druckdifferenz), sowie geringster erreichbarer Absolutdruck im vakuumierten Gefäß in hPa (bei niedrigem Volumenstrom) auf der Saugseite. Die Druckseite ist bei Vakuumpumpen logischerweise uninteressant.

Das erinnert mich ein wenig an die elektrische Welt, wo z.B. Leerlaufspannung (max. Druckdifferenz) und Kurschlussstrom (max. Volumenstrom) eine Spannungsquelle charakterisieren und es darum geht, einen optimalen Arbeitspunkt zu finden.

Wenn man auf eine Spannung aus ist, kann man eine Quelle nur mit einem geringen Strom belasten und so die Spannung oben halten. Anders herum kann bei geringer Spannung ein hoher Strom aus der Quelle bezogen werden. In jedem Falle ist auch bei der Vakuumpumpe ein optimaler Arbeitspunkt zu finden und den Pumpentyp entsprechend auszuwählen. Einige Pumpentypen nämlich sind auf Durchsatz optimiert und damit für andere Zwecke gut geeignet als Pumpen, die große Unterdrücke bei geringerem Volumenstrom erreichen.

Wird viel von beidem benötigt, steigen Kosten und Energiebedarf der Pumpe stark an - es kommt also wieder einmal darauf an, was man braucht, denn die “Alleskönnerpumpe” ist ökonomisch oft nicht sinnvoll.

Charakteristika der Pumpen

Ich habe mir mal die Mühe gemacht, Volumenstrom über Druckdifferenz in einem Diagramm einzutragen und für verschiedene Pumpentypen in ähnlicher Leistungsklasse auszuwerten. Dann zog ich eine Linie durch die beiden Punkte (sicher, das ist nur eine Annäherung, der wahre Verlauf ist eher asymptotisch), um sie besser vergleichbar zu machen.

Für das Beispiel habe ich willkürlich eine elektrische Leistung der Pumpe von rund 1.5kW angenommen. Die Werte habe ich aus online abrufbaren Datenblättern verschiedener Pumpenhersteller entnommen.

Natürlich ist das nur eine grobe Annäherung und gilt eher für Pumpentypen mit großem Durchsatz als für diejenigen mit hoher Druckdifferenz. Die Funktion letzterer sieht eher aus wie ein hyperbolisches Parabolid (siehe Abbildung weiter unten), da erreichbare Druckdifferenz von Leckströmen stark gemindert wird.

Wir können solch eine Kurve gut für die Arbeitspunktbestimmung verwenden: Der Hersteller des Vakuumtisch empfiehlt meist den erforderlichen Volumenstrom für das jeweilige Produkt. Dieser wird nun auf der Linie markiert, und schon ergibt sich das dann erreichbare Vakuum. Am Schluss des Artikels komme ich hierauf zurück und versuche, ein paar Empfehlungen zu geben.

Pumpentypen

Es gibt viele verschiedene Pumpentypen zur Vakuumerzeugung in der Industrie. Sie haben teils verschiedene Wirkprinzipien und selbstverständlich unterschiedliche Einsatzzwecke. Ich konzentriere mich hier auf die vier Typen, die im Hobbybereich meiner Ansicht nach am Häufigsten zum Einsatz kommen.

Radialgebläse (Sehr hoher Volumenstrom)
Seitenkanalverdichter (Hoher Volumenstrom)
Kolbenpumpe (Tiefes Vakuum)
Drehschieberpumpe (Tiefes Vakuum)

Radialgebläse

Radialgebläse beschleunigen die Luft zwischen ihren Schaufeln. Luft wird axial in Mitte des Gebläses angesaugt und durch Fliehkräfte radial nach außen gedrückt, wo sie über einen Kanal an einer Stelle radial austreten kann.

Radialgebläse werden für sehr viele Anwendungen gebaut. Sie kommen beispielsweise in Großfeuerungen von Kraftwerken, in Hüpfburgen und dem Automotive-Bereich vor und waren vor fast zwei Jahrzehnten sogar auf Grafikkarten häufiger anzutreffen (Ich hatte mal einen auf meiner ATI Radeon X1900XT). Sie sind sehr einfach im Aufbau, kostengünstig herzustellen und sind in der Lage, einen unglaublich hohen Luftdurchsatz bereitzustellen. Nachteilig sind die hohen Laufgeräuschpegel und die im Vakuumbereich relevanten, geringen erreichbaren Unterdrücke.

Wenn allerdings mit Plattenmaterial und großflächigen Werkstücken gearbeitet wird, kann diese Vakuumlösung trotzdem sehr gut passen. Im Hobbybereich können hier oft sogar günstige Staubsauger (mit Fremdkühlung durch einen eigenen Lüfter) verwendet werden.

Seitenkanalverdichter

Seitenkanalverdichter kombinieren einen hohen Volumenstrom mit mittleren Druckdifferenzen. Man kann sie als ein- oder mehrstufige Systeme erwerben (Serienschaltung). Dadurch sind sie gut auf die Bedürfnisse der Kundschaft anpassbar. Wie Radialgebläse interagieren sie nur mit dem Medium und verschleißen nicht durch Teil-zu-Teil-Reibung. Dadurch sind sie ebenso wartungsarm und tolerieren auch Dämpfe und staubige Umgebungen.

Wünscht man einen Seitenkanalverdichter mit hohen Druckdifferenzen, muss man einen sehr leistungsfähigen Motor wählen, denn die charakteristische Kurve verläuft recht flach. Die Geräuschbelästigung kann durch beidseitige Verwendung von Schalldämpfern gut reduziert werden. Dennoch sind sie bei vergleichbaren Leistungswerten teurer als Radialgebläse.

In dieser Aufzählung sind sie die eierlegende Wollmilchsau: Sie können einen passablen Unterdruck bei hohem Volumenstrom erzeugen, ihr Preis ist moderat, sie benötigen kaum Wartung und ihr unangenehmes, turbinenartiges Geräusch lässt sich mit ein paar technischen Maßnahmen in den Griff bekommen.

Ich fand diese tiefgehende Erklärung von Seitenkanalgebläsen ebenfalls nützlich: Link geht zur “GutmbH”. Und dieses Youtube-Video zeigt einen herrlich verspielten Einsatz als Verdichter.

Kolbenpumpe

Der Klassiker. Kolbenpumpen werden sowohl für Kompressoren als auch für Vakuumpumpen verwendet. Sie stellen bei vergleichbar geringen Volumenströmen hohe Druckdifferenzen bereit, benötigen nicht viel Platz in der Werkstatt, und sind schon allein durch die hohen Produktionsvolumen günstig in der Anschaffung.

Auf der anderen Seite bieten sie nur einen pulsierenden Luftstrom und sind konzeptbedingt eher laut. Überdies können nur speziell dafür angefertigte Modelle mit Flüssigkeiten (Flutkühlung) oder Stäuben umgehen und benötigen mehr Wartung als die obengenannten Typen. Ich habe längst nicht so viele Anwendungsbeispiele dieses Pumpentyps für Vakuumtische gefunden wie bei den anderen. Das heißt aber nicht, dass ich sie für diese Einsatzzwecke als ungeeignet einstufe.

Drehschieberpumpen

Drehschieberpumpen teilen sich wiederum in zwei Klassen: Trockenlaufend und ölgeschmiert. Während trockenlaufende Drehschieberpumpen gleicher Leistung bei etwas höherem Durchsatz ähnliche Unterdrücke erzeugen können wie Kolbenpumpen, sind ihre ölgeschmierten Pendants in der Lage, deutlich größere Unterdrücke zu erreichen. Zudem benötigen sie weniger Energie zum Betrieb als ihre trockenlaufenden Kollegen.

Auf der anderen Seite benötigen sie eine Warmlaufzeit für das Öl und einen Entgasungszyklus vor ihrer Abschaltung. Zudem benötigen sie durch Ölwechsel und leichte Ölnebel in der Abluft mehr Wartungsaufwand.

Das Wirkprinzip: Ein Motor treibt eine auf seiner Welle befindliche geschlitzte Scheibe an, welche exzentrisch in einem Gehäuse montiert ist. In den Schlitzen sind kleine Platten eingelassen, die sich radial frei bewegen können. Startet der Motor nun, werden die Platten durch Fliehkräfte an die Wände der Kammer gedrückt und schließen diese beinahe luftdicht gegen die anderen Kammern ab. Durch die Exzentrizität ist das Volumen dieser Kammern über einen Umlauf variabel und verkleinert sich in Richtung Auslass, sodass auf der Saugseite ein Unterdruck und am Auslass ein Überdruck entsteht.

Drehschieberpumpen sind nur für kompressible Medien geeignet, benötigen Staubabscheider am Einlass und vertragen keine Flüssigkeiten im Medium. Dafür liefern sie einen kontinuierlichen Saugstrom und sind im Betrieb vergleichsweise leise. Die Drehschieber sind Verschleißteile, die irgendwann ersetzt werden müssen - besonders bei den trockenlaufenden Geräten. Im Vergleich zu Seitenkanalverdichtern gleichen Volumenstroms liegen ihre Kosten zur Zeit des Verfassens dieses Artikels um den Faktor zwei bis drei höher.

Weitere Details gefällig? Wie oben bereits erwähnt halte ich diese Seite von GutmbH für lesenswert.

Das Werkstück bestimmt die Pumpe

Um eine gute Wahl für eine Vakuumpumpe treffen zu können, sollte der Einsatzzweck also klar und der zu verwendende Vakuumtisch eine bekannte Größe sein.

Wie in der Zeichnung zu erkennen ist, hängt die erreichbare Niederhaltekraft stark von der Größe der Oberfläche des Werkstücks ab - je kleiner sie ist, desto größer muss der Unterdruck sein, den die Pumpe liefert, um dieselbe Niederhaltekraft zu erreichen. Leider ist der Unterdruck wie oben beschrieben durch das absolute bzw. das durch die gewählte Pumpe erreichbare technische Grobvakuum limitiert. Trotzdem können Vakuumtische sehr homogene Niederhaltekräfte bieten.

Was wir vermeiden wollen, ist, dass das Werkstück durch das Werkzeug beim Eingriff vom Maschinentisch gelöst wird. Ebenfalls möchten wir Parallelverschiebung oder Drehung des Werkstücks durch das Werkzeug verhindern. Um ein paar Anhaltspunkte zu bekommen, können wir zuerst die Niederhaltekraft für unser Werkstück berechnen. In einem zweiten Schritt dann können wir abschätzen, wie viel Widerstand uns dies gegen laterale Verschiebung oder Drehung bietet. Solange die vom Werkzeug in das Werkstück eingebrachte Kraft unter dieser Losbrechkraft liegt, sind wir auf der sicheren Seite und können möglicherweise eine preisgünstigere Pumpe wählen.

Niederhaltekraft

Die Klemmkraft, die das Werkstück auf dem Maschinentisch festhält, ist leicht zu berechnen:

$$f_{clamp}= F_N = \Delta p A + F_g $$

Sie wird in Newton angegeben und ergibt sich aus der Druckdifferenz zwischen Ober- und Unterseite des Werkstücks und der Erdanziehungskraft, die das Werkstück nach unten drückt.

Der erforderliche Wert hängt stark von der Werkzeuggröße- und Geometrie, Werkstückmaterial sowie vom Vorschub und gewählter Drehzahl ab. So wird wesentlich mehr Klemmkraft bei harten und zähen Materialien wie Hochdrucklaminaten oder Stahl benötigt, wenn Werkzeuge mit großen Durchmessern oder Drallwinkeln eingesetzt werden, die zudem bei großen Vorschüben und geringer Drehzahl durch das Material gehen als bei Weichhölzern, wo gern mit hohen Drehzahlen und gerade geschliffenen Fräsern gearbeitet wird.

Die Berechnung der Zerspankräfte, insbesondere der hier für uns interessanten Vorschubkraft, würde einen eigenen Artikel erforderlich machen. Für den Hobbybereich sind meine Erfahrungswerte, dass Werkstücke kleiner als 80x80mm nur mit großen Unterdrücken um -0.8Bar gehalten werden können, wenn man nicht gerade im Schneckentempo arbeiten möchte. Andersherum reichen bei 600x600mm großen Platten ohne Durchfräsungen bereits -0.1Bar, um die Platte sicher zu halten.

Parallelverschiebung

Um Niederhaltekraft in Widerstand gegen Parallelverschiebung umzurechnen, führe ich hier den statischen Reibungskoeffizienten $µ_s$ ein.

Nehmen wir an, wir legen eine Lage Gummi zwischen unser (metallisches) Werkstück und den Vakuumtisch. Nehmen wir weiter einen statischen Reibungskoeffizienten µs = 0.7 zwischen Gummi und Werkstück an - den Wert habe ich online gefunden - was für mich aus mehreren Gründen nach einer konservativen Schätzung aussieht: Erstens klammern wir die Oberflächenrauigkeit von Gummimatte und Werkstück aus, und zweitens wird das Werkstück durch den Unterdruck etwas in die Gummimatte hineingedrückt, was die Losbrechkräfte durch Formschluss nochmal deutlich erhöht.

Egal, denn alles was zu tun bleibt, ist die oben berechnete Kraft mit dem Reibungskoeffizienten zu multiplizieren.

$$F_s = F_N µ_s$$

Hier kann man also an zwei Stellschrauben drehen: Der Materialpaarung und dem von der Pumpe bereitgestellten Anpressdruck. Es gibt auch spezielle Vakuumvliese, welche besonders hohe Reibungskoeffizienten besitzen und bei Anlegen des Vakuums durch Eindrücken des Werkstücks in das Vlies für zusätzlichen Widerstand gegen Verschiebung und Rotation sorgen.

Rotation

Hier wird die Berechnung schwierig. Interessanterweise wird weniger Kraft benötigt, ein Werkstück von seiner Position wegzudrehen, als es parallel zu verschieben. Das kann man sich aber zum Glück recht leicht klarmachen:

Wenn Sie z.B. Ihr Mobiltelefon auf dem Tisch um seinen Mittelpunkt herum drehen (etwa durch Berührung der rechten oberen Kante mit dem Zeigefinger), müssen nicht alle denkbaren Punkte auf dem Smartphone denselben Weg zurücklegen. Punkte, die sich näher am Drehpunkt befinden, legen eine geringere Distanz für den selben überstrichenen Winkel zurück als solche, die weiter in Richtung Kante des Smartphones liegen. Für eine Paralellverschiebung hingegen muss jeder Punkt einen gleich großen Weg zurücklegen, für den ein entsprechender Energieeinsatz erforderlich ist.

Für das Spannen auf dem Vakuumtisch sind lange, schmale Werkstücke besonders anspruchsvoll. Sie bieten mit ihren langen Kanten einen großen Hebel und bieten zudem keine große Oberfläche, die der Unterdruck zum Niederhalten nutzen kann. Daher lassen sie sich leicht versehentlich verdrehen.

Am einfachsten zu bearbeiten sind daher runde oder quadratische Werkstücke, zumal wenn sie nahe an ihrem geometrischen Mittelpunkt gefräst werden.

Welche Vakuumpumpe wird nun also benötigt?

Ok, fassen wir zusammen:

Es ist immer eine Kombination aus Werkstückmaterial (leicht/ schwer zu bearbeiten, niedrige/hohe Reibungskoeffizienten), -Größe (je mehr Oberfläche, desto einfacher sind hohe Klemmkräfte realisierbar), Bedürfnissen durch die Bearbeitung wie Durchfräsungen (Toleranz gegenüber Leckageströmen), Vakuumtischgröße- und Typ sowie Bearbeitungsparametern, die die Auswahl der Vakuumpumpe bestimmt.

Daher sollten ein paar Erfahrungswerte vorliegen und klare Wünsche formuliert werden können: Wie groß sind die Werkstücke typischerweise? Werden oft Teile aus Plattenmaterial ausgeschnitten? Welche Materialien sollen verarbeitet werden? Werden Kühlschmierstoffe benötigt? Muss mit aggressiven Parametern vorgegangen werden, um Fertigungszeiten niedrig zu halten?

Ein paar Vorschläge meinerseits:

Aluminium, kleine Werkstückgröße, keine Durchfräsungen: Kleinvolumige Kolben- oder Drehschieberpumpe mit einem Lochrastertisch
Holz und MDF, große Werkstücke, Nesting und eine Menge Durchfräsungen: Radialgebläse oder einstufiger Seitenkanalverdichter, Vakuumtisch mit poröser Oberfläche oder Rastervakuumtisch mit Vakuumvlies
Hochdrucklaminate, kleine Werkstücke, viele Durchfräsungen: Drehschieberpumpe mit großem Volumenstrom oder mehrstufige Seitenkanalgebläse sowie ein Lochrastervakuumtisch. Zudem Verwendung von an das Werkstück angepassten, speziellen Frässtrategien im CAM: späte Durchfräsungen in Kombination mit geringerer Tiefenzustellung.

Meine Wahl

Da ich auf meiner Maschine Platten mit 60x60cm Größe in einem Rutsch bearbeiten möchte, habe ich mich für einen recht großen Lochrastervakuumtisch (730 x 655 mm) mit 0.5mm Durchgangsbohrungen in einem 10mm Raster entschieden. Da ich noch immer eine Menge verschiedener Materialien auf meiner Maschine ausprobiere und hauptsächlich Prototypen anfertige, sehen meine Werkstücke selten ähnlich aus und haben sehr unterschiedliche Abmessungen (kleinstes Werkstück bis dato: 14x26mm). Daher musste ich in den sauren Apfel beißen und einen Haufen Geld in eine großzügig dimensionierte, trockenlaufende Drehschieberpumpe investieren, die für kleine Werkstücke einen hohen Unterdruck zur Verfügung stellt und dennoch eine Menge nicht abgedeckter Sauglöcher toleriert, ohne in die Knie zu gehen.

Vergleich mehrerer Drehschieberpumpen (Bild bereitgestellt von Stritzelberger GmbH) ^[1]

Die Pumpe stellt einen Volumenstrom von 40m³/h zur Verfügung und kann maximal 880mBar unter Umgebungsluftdruck gefahren werden. Sie wiegt in etwa 40kg und wird von einem 3-Phasen Asynchronmaschine mit einer Nennleistung von 1.3kW angetrieben.

Durch einen Umbau läuft meine Pumpe auf nur einer Phase. Ich habe zudem einen Motorschutzschalter hinzugefügt, um die Maschine vor Überlast zu schützen.

Ist die Pumpe laut?

Na ja, 68dB(A) aus einem Meter Abstand sind nicht so richtig leise. Das Geräusch erinnert mich an das Außengerät einer Klimaanlage, die bei voller Last läuft. Ist die Fräsmaschine allerdings in Betrieb, so geht das Geräusch der Pumpe in den Fräsgeräuschen praktisch unter.

Aber überzeugen Sie sich selbst; ich habe ein kleines Video vom Betrieb der Pumpe erstellt:

Drehschiebervakuumpumpe: Inbetriebnahme↗

Vakuumtisch für die CNC

Schallbert — Fri, 21 Oct 2022

Nehmen wir mal an, Sie sind nicht durch Zufall beim Surfen durch das Internet auf diesen Beitrag gestoßen. Sie wissen also bereits was ein Vakuumtisch ist (falls nicht: hier weiterlesen). Sein Wirkprinzip wird im Bild auf der rechten Seite erläutert. Wahrscheinlich wissen Sie außerdem bereits, dass es verschiedene Typen Vakuumtische für unterschiedliche Zwecke gibt, und vielleicht auch schon, dass Sie einen anschaffen möchten.

Hervorragend! Dieser Artikel beschreibt sowohl meinen eigenen Weg hin zu einem Vakuumtisch, soll aber ebenfalls als Entscheidungshilfe für Sie dienen. Beginnen wir mit einem kleinen Interview.

Warum möchten Sie einen Vakuumtisch haben?

Gleich zu Anfang die wichtigste Frage.

🤩 Weil er toll aussieht, eine Menge Gewicht auf die Waage bringt, stabil und teuer ist?
😪 Weil Sie keine Lust mehr haben, sich ständig über das richtige Klemmen des Werkstücks Gedanken zu machen?
😖 Oder weil Sie bereits ein paar Fräser verschlissen haben beim Versuch durch Klemmen zu fahren?
😨 Oder doch weil sich Doppelklebeband als nicht stark genug erwiesen hat und Ihr Werkstück fliegen ging?
😎 Professionalisieren Sie Ihr Gewerk vielleicht gerade und Sie versuchen, Produktionszeit einzusparen?
😕 Vielleicht ist auch die Qualität Ihrer Werkstücke nach Bearbeitung unzureichend oder Sie haben Probleme, Plattenware plan zu bekommen?

Meine Gründe: Qualität und höhere Fertigungsgeschwindigkeit

Dies hier soll mein Vakuumtisch in den Griff kriegen:

Bei Gravuren machen nicht vollkommen plan aufliegende Werkstücke mir einen Strich durch die Rechnung, da die Gravurbreite ungleichmäßig wird. Dies ist leider nicht nur auf Holzwerkstoffe beschränkt.
Momentan arbeite ich mit Anbindungen, um Frästeile in Position zu halten. Meine Frästeile benötigen also manuelle Nacharbeit und die Anbindungen am Werkstück können danach immer noch erahnt werden.
Wenn ich keine Anbindungen wünsche, muss ich eine “Zwiebelhaut” übrig lassen, kann also nicht ganz durchfräsen. Das macht die Bearbeitung der Rückseite z.B. mit einem Gravurfräser erforderlich, was durch die genaue Positioniererfordernisse viel Zeit in Anspruch nimmt.
Mit einem Vakuumtisch werden ballige Werkstücke für die Bearbeitung plan gezogen, sodass Probleme ungleicher Gravuren, nicht erwünschter Durchfräsungen usw. behoben sind.
Unter bestimmten Bedingungen leidet Meine Maschine an Vibrationen, besonders bei Verwendung langer Zweizahnfräser bei großer Tiefenzustellung und größeren Geschwindigkeiten. Das zusätzliche Gewicht und die flächige Kraftverteilung durch den Vakuumtisch könnten dieses Problem lösen.

Welcher Typ Vakuumtisch?

Ok, nun sollten wir herausfinden, welche Art Vakuumtisch sich am besten für Ihren Einsatz und für Ihre Randbedingungen eignet. Vakuumtische sind prinzipbedingt nur dann sinnvoll, wenn Plattenmaterial mit entsprechend großer Oberfläche bearbeitet wird. Zudem sollte das Plattenmaterial nicht zu biegsam oder sehr porös sein - Folien, Gummimatten und Weichschäume beispielsweise können von einem Vakuumtisch kaum gehalten werden, da durch die Fräskräfte angehobene Kanten des Plattenmaterials sofort das Vakuum kollabieren lassen.

Es gibt drei Typen Vakuumtische:

Rastervakuumtische
Lochrastervakuumtische
Vakuumtische mit poröser Oberfläche

Rastervakuumtisch

Ein Rastervakuumtisch (Bild zur Verfügung gestellt von Stritzelberger GmbH) ^[1]

Viele Rastervakuumtische haben nur einen Vakuumanschluss, der in der Mitte des Tisches platziert ist. Der Bereich, in dem Unterdruck das Werkstück halten soll, wird mittels einer in das Raster gelegten (Schaum-) Gummidichtung bestimmt. Hierbei muss sich die Dichtung stets innerhalb des Werkstückes befinden.

Da die Dichtung bei Einschalten des Vakuums zusammengepresst wird und damit Vakuumtisch und Werkstück luftdicht miteinander verbindet, muss die Pumpe nur einen geringen Volumenstrom zur Verfügung stellen. Zudem hält das Werkstück bei entsprechend starkem Unterdruck sehr großen Zug- und Scherkräften stand, ohne sich zu lösen. Durch die flexible Dichtung können auch nicht ganz plan aufliegende Werkstücke oder solche mit rauen Oberflächen auf dieser Art Tisch gut bearbeitet werden.

Bei all den Vorteilen haben sie aber zwei gewichtige Nachteile: Werden erstens verschieden große Werkstücke verarbeitet, ist die Verlegung der Dichtung stets anzupassen. Außerdem muss beachtet werden, dass durch das meist in der Mitte befindliche Absaugloch auch die Werkstücke zentriert werden müssen; Anschläge für das vereinfachte Kantenfinden sind daher oft nicht verwendbar.

Zweitens darf nicht “innerhalb der Dichtung” durchgefräst werden. Tut man es doch, wird das Vakuum sofort zusammenbrechen, da die Pumpe plötzlich einen riesigen Luftstrom bewältigen muss. Daher darf das Werkstück nicht zu klein werden (das Raster ist das Maß der Dinge) oder man muss zusätzlich Arbeit in Klemmen oder Halterungen stecken, die dieses Problem lösen.

Kurzgesagt:

Rastervakuumtische funktionieren sehr gut, solange man nicht durchfräst.
Rastervakuumtische stellen geringe Anforderungen an die Pumpe und halten auch unebene oder verzogene Werkstücke sicher.
Rastervakuumtische sind günstig, benötigen aber bei unterschiedlichen Werkstückgrößen, kleinen Werkstücken oder Durchfräsungen extra angepasste Halterungen.

Lochrastervakuumtisch

Ein Lochrastervakuumtisch (Bild zur Verfügung gestellt von Stritzelberger GmbH) ^[2]

Lochrastervakuumtische verfügen über - wie der Name schon sagt - in einem Raster angeordnete Sacklöcher, über die Luft abgesaugt wird. In jedem dieses Sacklöcher befindet sich eine winzige Durchgangsbohrung, die zu einem im Tisch befindlichen Kanalsystem führt. Der Durchmesser der Durchgangsbohrung wird vom vorrangig zu bearbeitenden Material vorgegeben - sie sind etwas größer bei “porösen” Materialien wie Holz und MDF, und kleiner für die Aluminium- oder Stahlbearbeitung.

Zumeist sind sie in zuschaltbare Segmente unterteilt, sodass bei kleineren Werkstücken nicht der ganze Tisch abgedeckt werden muss um Leckströme zu vermeiden. Dennoch ist es sinnvoll, weiterhin freiliegende Löcher abzudecken und damit den Vakuumdruck zu erhöhen.

Diese Vakuumtische bestehen meist aus drei Teilen: Dem Unterbau zur Montage auf dem Maschinenbett, einer mittleren Ebene mit Vakuumanschlüssen und dem Kanalsystem sowie einer oberen Ebene mit Lochraster, was zudem oft eine Bearbeitungsreserve zum Planfräsen aufweist.

Sie sind in der Lage, Werkstücke jeglicher Form niederzuhalten, vorausgesetzt sie besitzen eine ebene Fläche auf der Unterseite. Die kleinen Durchgangsbohrungen ermöglichen auch das Durchfräsen: die betroffenen Löcher liefern zwar keinen Beitrag mehr zur Klemmkraft, überfordern mit dem geringen Leckstrom aber auch die Vakuumpumpe nicht, sodass sie den Unterdruck bei den anderen Löchern aufrecht erhalten kann (solange man es mit der Anzahl freiliegender Löcher nicht übertreibt). Das Ausrichten des Werkstücks ist auf solchen Tischen ebenfalls einfach, da das Lochraster einfach mit Zentrierstiften bestückt werden kann, die einen Anschlag o.Ä. bilden.

Nachteile dieses Tischtyps sind ihr hoher Preis durch das aufwendige Design, mehr benötigtes Zubehör wie Vakuumverteiler bei einem Mehrkammersystem (und alles muss leckfrei gehalten werden), sowie hohe Anforderungen an die Vakuumpumpe bei Durchfräsungen.

Kurzgesagt:

Lochrastervakuumtische sind für jedes feste Werkstück mit genügend Oberfläche und glatter Unterseite geeignet.
Lochrastervakuumtische tolerieren Durchfräsungen und freiliegende Löcher, erfordern dann aber großzügig dimensionierte Vakuumpumpen.
Lochrastervakuumtische vereinfachen die Positionierung von Werkstücken ungemein.
Lochrastervakuumtische sind komplex in der Fertigung und daher vergleichsweise teuer.

Vakuumtische mit poröser Oberfläche

Ein Porenvakuumtisch (Bild zur Verfügung gestellt von 'Jens´ Vakuumtische') ^[3]

Diese Art Vakuumtisch benötigt weder sichtbare Löcher noch Kanäle an seiner Oberfläche: Stattdessen ist die Oberfläche selbst luftdurchlässig. Für das Fräsen von Leiterplatten wird als Material oft Aluminiumschaum verwendet. Im Hobbybereich gibt es auch gute Erfahrungen mit überplanter mitteldichter Faserplatte. Bei Letzterer ist es beim Durchfräsen nicht einmal schlimm, wenn man sich mit der Materialdicke vertan hat, da MDF solche Fehler gut verzeiht und bei Bedarf einfach eine frische Platte aufgelegt werden kann.

Die Tische sind leicht und - mit viel Hintergrundwissen über Werkstoffe und Dünwwandfräsen - sogar als “Marke Eigenbau” zu fertigen. Im Netz gibt es dazu viele Beispiele.

Sie funktionieren am besten über einen großen Volumenstrom und arbeiten daher meist mit geringen Unterdrücken - sie erhalten ihre Klemmkraft also über die Fläche. Besser noch als Lochrastervakuumtische sind sie also für Durchfräsungen geeignet. Zudem sind sie in der Anschaffung günstig und können sogar mit Staubsaugern betrieben werden, deren Motoren auch ohne Förderstrom durch ein eigenes Gebläse gekühlt werden.

Ihre Nachteile: Durch ihr geringes Gewicht sind sie anfälliger für Vibrationen. Sie benötigen Werkstücke mit eher großer Oberfläche um adäquate Klemmkräfte zu realisieren und bei hohen Unterdrücken bleibt das poröse Obermaterial nicht maßhaltig, es “schrumpft” also bei aufgelegtem Werkstück etwas. Außerdem sind sie nicht geeignet bei Verwendung von Kühlschmierstoffen und haben einen ungünstigen statischen Reibungskoeffizienten (Je nach Werkstückpaarung bieten sie keinen besonders guten Halt gegen laterale Verschiebung).

Kurzgesagt:

Porenvakuumtische sind günstig zu erwerben und zu betreiben.
Porenvakuumtische sind für größere Werkstücke und Materialien, die keine Kühlschmierstoffe benötigen, gut geeignet.
Porenvakuumtische sind bei Durchfräsungen sehr gut geeignet.
Porenvakuumtische sind bei Verwendung von MDF nicht präzise in Z-Richtung.

Was alle diese Vakuumtische gemeinsam haben

Die Klemmkraft auf das Werkstück in Z-Richtung kann für einen gegebenen Unterdruck auf identische Art berechnet werden. Aber vorsicht, dieser Unterdruck ist bei Durchfräsungen und anderen Quellen für Leckagen am Werkstück geringer als auf dem Manometer angezeigt.

Werden keine Durchfräsungen gefertigt, lässt sich die volle Werkstückoberfläche zur Berechnung der Klemmkraft hinzuziehen (und nicht nur die Summe der Fläche aller Löcher im Bereich unter dem Werkstück im Falle des Lochrastertisches). Das kommt daher, dass mikroskopisch kleine Unebenheiten auf der Oberfläche von Werkstück und Tisch einen geringen lateralen Luftfluss an der Grenzschicht zulassen.

Andererseits gilt dies auch für die Ränder des Werkstücks. Nutzt man also keinen Rastervakuumtisch, wird es immer Leckageluftströme geben. Fräst man zusätzlich komplett durch das Material, werden weitere Randzonen erzeugt, die wiederum geringere Klemmkräfte aufweisen als der Rest des Werkstücks.

Welches Zubehör für einen Vakuumtisch?

Ohne Pumpe funktioniert der Vakuumtisch natürlich gar nicht. Und obacht, werden hohe Unterdrücke und gleichzeitig große Volumenströme verlangt, bewegt sich der Preis für die gewünschte Pumpe ganz schnell in derselben Liga wie der Vakuumtisch. Aber das führt hier zu weit - ich habe den Vakuumpumpen einen eigenen Artikel gewidmet. Aber es wird weiteres Zubehör benötigt:

Schrauben, Unterlegscheiben, Nutensteine / Muttern um den Tisch auf der Maschine zu befestigen
Sortiment verschieden dicker Unterlagsbleche für die plane Montage des Tisches gegenüber der Z-Achse der Maschine
Einen Vakuumverteiler, falls der Vakuumtisch mehrere Zonen besitzt
Vakuumleitungen
Einen Schalter mit Motorschutz für die Vakuumpumpe
gegebenenfalls ein Vakuumvlies (Holz-, Kunststoffbearbeitung) oder eine Lochrastermatte aus Gummi (Alu, Stahl)
Dichtband (für Rastervakuumtische)

Zusammenfassung

Alles in allem will die Anschaffung eines Vakuumtisches gut überlegt sein - gerade wegen des großen Kosten- und Zeitaufwandes für Montage, Einrichtung und Betrieb des Tisches. Entscheidet man sich dennoch dafür, so wird man bei zweckmäßigem Einsatz mit höherer Fertigungsqualität durch die flächige Auflage des Werkstücks, kürzerer Richtzeit durch Wegfallen der Klemmen und einfacherer Jobplanung belohnt - denn Materialanbindungen sind nun passé.

Meine Wahl

Ich arbeite ausschließlich mit Plattenmaterial. Ich fertige bisher Produkte aus Holz, Hochdrucklaminaten, Acrylglas, mitteldichter Faserplatte oder Aluminium-Verbundmaterial. Zumeist muss ich Konturen aus einer größeren Platte ausschneiden (Durchfräsen) und wende Nestingverfahren an, um möglichst wenig Abfall zu erzeugen. Ich arbeite oft zweiseitig, was eine genaue Lokalisierung des Werkstückes auf dem Maschinentisch erfordert. Daher kommt ein Rastervakuumtisch für mich nicht infrage.

Um die Kanten auf der Werkstückunterseite anzufasen, schneide ich im ersten Arbeitsgang meist nicht ganz durch, sondern lasse einen V-Fräser diesen letzten Schritt auf der Unterseite erledigen. Da ich hierfür eine sehr exakte Bestimmung der Werkstückhöhe benötige und der Unterdruck sich bei Auffräsen einer Kontur durch den Fasenfräser verringert, muss die Oberfläche des Vakuumtisches starr sein - daher kommt ein Porenvakuumtisch mit Oberfläche aus MDF für mich nicht in Frage.

Stattdessen habe ich einen Hersteller für Vakuumtische direkt kontaktiert, um ein paar kleine Lochrastervakuumtische zu kaufen, die ich unabhängig voneinander einschalten und damit je nach Größe des Werkstücks Segmente auf meiner CNC mit Unterdruck versorgen könnte. Dieser meinte, dass die einfachere und bessere Lösung ein für meine Maschine angepasster Vakuumtisch sei, da bei Zusammenstellen mehrerer Tische Höhenunterschiede und Undichtigkeiten entstehen würden und die Zuführung der Vakuumleitung erschwert würde.

Also habe ich gespart und mir den teureren, großen Tisch zugelegt. Hierfür habe ich dem Hersteller Zeichnungsdaten meiner Maschine zur Verfügung gestellt und nach ein paar Gesprächen und Vorschlägen seitens des Herstellers hatte ich dann einen an meine Bedarfe angepassten Entwurf.

Lieferung des Tisches

Der von mir ausgewählte Hersteller sitzt nicht zu weit von meinem Wohnort entfernt. Also bin ich hingefahren für eine kleine Führung durch die Produktion und konnte den Tisch dabei direkt mitnehmen. Da ich für die Montage meine alte Werkstückunterlage vom Maschinentisch nehmen musste, konnte ich in einem Zug direkt Schalldämmung im Maschinenrahmen anbringen. So wird die Maschine nochmal etwas leiser.

Danach habe ich den Vakuumtisch mit M6 Maschinenschrauben und T-Nut Muttern am Rahmen befestigt. Für eine ebene Oberfläche (gemessene Abweichung in Z über die gesamte Fläche des Maschinentisches unter 15/100mm, Messuhr siehe Bild unten links) habe ich Unterlegbleche verwendet und stundenlang nachkontrolliert und -justiert, bis ich zufrieden war.

Parallelität der Z-Achse prüfen↗

Für noch bessere Ergebnisse könnte man:

Den Vakuumtisch einmal komplett planfräsen
Dn Tisch wieder herunternehmen und den Maschinenrahmen so nachrustieren, dass die Profile exakt waagerecht aufliegen und die Oberseiten aller Rahmenteile auf das Hundertstel genau auf einer Ebene enden.

Dies erschien mir als unverhältnismäßig großer Aufwand angesichts der vorhandenen Maschinentoleranzen (Immerhin handelt es sich hier um einen Eigenbau), also gebe ich mich mit den oben erreichten Werten zufrieden.

Anschluss des Vakuumverteilers

Als ich einfach drauflos die dünnen Vakuumleitungen zur Verbindung von Tisch und Verteile zurechtschnitt, dachte ich mir: “Warte mal eine Sekunde. Wäre es nicht klüger, die 9mm-Leitungen so kurz wie möglich zu halten, und lieber die 18er-Leitung zur Pumpe länger zu lassen und so den Druckabfall zu reduzieren?” Also habe ich mich erst einmal mit dem Taschenrechner zurückgezogen.

Mein Tisch hat etwa 4900 Sauglöcher mit je 0.5mm Durchmesser. Ihre zusammengerechnete Oberfläche beträgt $A_{table}=962mm^2$, was in etwa einem Loch mit 35mm Durchmesser entspricht (ich ignoriere hier komplett die Widerstände an den Lochrändern.)
Die sieben Vakuumleitungen zum Verteiler haben einen Durchmesser von 9mm. Zusammengenommen liegt ihre Oberfläche bei $A_{hose}=445mm^2$, entsprechen also einem Loch mit 24mm Durchmesser; deutlich weniger also als der Gesamtquerschnitt der Löcher des Tisches.
Für den Saugschlauch mit 18mm Innendurchmesser sieht es sogar noch schlimmer aus: $A_{pump}=254mm$ liegt bei unter 30% des Querschnitts auf dem Tisch.

Wenn ich jetzt also von einem gleichmäßigen Leckagestrom über die sieben Segmente meines Tisches ausgehe, macht es Sinn, die Pumpenzuleitung so kurz wie möglich zu wählen, da sie bei vielen offenen Sauglöchern die höchste Flussgeschwindigkeit und damit den höchsten Druckverlust aufweist. In einem Szenario mit weniger verwendeten Segmenten wird irgendwann die 9mm-Leitung ausschlaggebend.

Daher ist also zu beachten, dass das Manometer am Vakuumverteiler bei größeren Leckageluftströmen einen höheren Wert anzeigt, als am Tisch tatsächlich anliegt!

Da ich die Zahl freiliegender Löcher aber begrenzen werde, kann ich mir einfach eine komfortable Position für den Vakuumverteiler aussuchen und die Verlegung abschließen 😉. Übrigens ist das erste auf meinem neuen Vakuumtisch gefertigte Teil ein Halter für den Vakuumverteiler aus Holz - wie im Bild rechts zu erkennen.

Estlcam: Inverse Gravuren

Schallbert — Tue, 27 Sep 2022

Der Plan war, ein Holzschild mit meiner CNC zu fertigen. Es sollte jedoch invertiert sein. Das heißt, die Lettern sollten sich vom flachen Hintergrund abheben. Da es verschiedene Wege gibt, so etwas in Estlcam umzusetzen (ein sogenanntes Computer Aided Machining Programm, was aus Zeichnungsdaten Fräspfade und später Maschineninstruktionen erzeugen kann), aber nicht alle Wege leicht zu finden oder gut anwendbar sind, biete ich hier eine Schritt-für-Schritt Anleitung an.

1. Den Rahmen des Schildes importieren

Zuerst sollten Zeichnungsdaten des Rahmens von dem zu fertigenden Schild vorliegen, beispielsweise im DXF-Format. Ich habe ein rechteckiges Schild mit abgerundeten Ecken und definierter Rahmenstärke in meinem CAD-Programm gezeichnet. Es gilt sicherzustellen, dass die Frästiefe später nicht die Breite des Rahmens überschreitet, ansonsten könnte die Fräsarbeit zu instabil werden.

2. Den Text hinzufügen

Jetzt kann der Inhalt des Schildes in Form von Text durch Tastendruck auf das “Carve”-Symbol hinzugefügt werden. Dabei ist es sinnvoll, die Breite der Textbox an die inneren Rahmengrenze anzupassen, sodass der Text stets hineinpasst. Man hat verschiedene Carve-Stile zur Auswahl. Für die hier dargestellte Fräsarbeit ist Carve aussen zu wählen. Nun den Text eintippen, Schriftart selektieren und die Schrifthöhe so anpassen, dass es im Schild ein harmonisches Bild ergibt.

Abhängig vom zu verwendenden Fräser sollte dann die Frästiefe gewählt werden. Bei kleineren Winkeln der V-Nutfräsers ist die Frästiefe meist größer zu wählen als bei breiten 90°-Fräsern wie ich ihn verwende. Für mein 12mm starkes Plattenmaterial setze ich eine Frästiefe von 4.5mm an. Anschließend wird die maximale Fräsbreite festgelegt. Gemeint ist hier, wie breit die “Täler” zwischen den Buchstaben sein sollen. Da ich für den invertierten Carve eine “Talsohle” benötige, habe ich hier einen sehr großen Wert eingestellt. Zum Schluss dann sollte die Taste Umrahmung auswählen geklickt werden. Hiermit ist die Fräsarbeit dann nach außen begrenzt.

Bitte dieses Bearbeitungsfenster vorerst geöffnet lassen.

3. Werkzeugauswahl

Wählen Sie nun das V-Nutwerkzeug durch Klicken in der entsprechenden Zeile Ihrer Werkzeugliste für die Textfräsung aus. Stellen Sie sicher, dass das Häkchen bei Textobjekt zerlegen im Fenster “Text Fräsen” nicht erscheint, denn nur dann können Sie weitere Anpassungen vornehmen. Schließen Sie nun dieses Fenster per Klick auf OK. Nun wählen Sie Vorschau aus, um sich einen Eindruck von der Fräsarbeit zu verschaffen. Sehen Sie die eng beisammenstehenden parallelen Linien rechts im Bild? Dies wird durch den Parameter Räumzustellung aus der Werkzeugtabelle verursacht. Für saubere Arbeiten mit einem Gravurfräser sollte dieser Wert bei kleiner gleich 5% bleiben.

Hmm, so werden Sie noch keine befriedigenden Arbeitsergebnisse erhalten, und die Fräsarbeit wird lange dauern. Wir benötigen also zusätzlich ein paar Räumpfade mit einem normalen Schaftfräser.

4. Räumen

Speichern Sie Ihr Projekt spätestens jetzt ab. Nach dem aktuellen Schritt kann der Text nicht mehr bearbeitet werden!

Um den Fräser für die Räumung der “Talsohle” hinzuzufügen, wählen Sie den Carve-Pfad aus und wählen Textobjekt zerlegen an. Bestätigen Sie mit OK und wählen den Fräspfad erneut aus. Nun erscheint die Werkzeugkonfiguration. Fügen Sie das Räumwerkzeug hinzu. Vorzugsweise ist sein Durchmesser geringer als der Abstand zwischen Schrift und Rahmen, sodass eine möglichst große Fläche später glatt geräumt werden kann (Anmerkung: Ich habe das nicht gemacht, weswegen auf meinem Beispiel ein paar raue Stellen übrig geblieben sind). Die Räumzustellung dieses Fräsers wähle ich bei Holz zwischen 20% und 40%.

Wenn Sie für die Gravur einen Fräser ohne Abflachung am Boden gewählt haben (ich empfehle hier gern 0.5mm als guten Kompromiss zwischen hoher Auflösung und guter Fertigungsqualität), können Sie die Räumzustellung des Fräsers in der Werkzeugtabelle zur Verbesserung der Oberflächenqualität noch einmal nach unten korrigieren.

5. Zweite Vorschau

Ok, jetzt sollten wir durch sein. Nochmal kurz die Vorschau ausgewählt und sich über die reduzierte Verarbeitungszeit gefreut, und ran an die Maschine?

Ah, eine weitere Optimierung kann für das Gravurfräsen angebracht sein: Unter Einstellungen die Sicherheitshöhe auf ein Minimum reduzieren (aber ohne in Klemmen oder andere Hindernisse zu rauschen). Das ständige Aus- und Eintauchen ins Material kostet bei Gravuren in Estlcam immer recht viel Zeit, wenn sich die Sicherheitshöhe in großem Abstand zur Werkstückoberfläche befindet.

Keine Sorge, wenn die Schrift in der Vorschau nun nicht mehr lesbar ist. Das ist total normal, weil ja nur die (jetzt wegen Verwendung des Räumfräsers gröber dargestellten) Fräspfade angezeigt werden.

Nach einer letzten Prüfung von Vorschüben und Werkzeugen kann’s jetzt endlich losgehen :)

6. Auf die CNC damit!

Viel Spaß beim Fräsen. Ich für meinen Teil fand es sehr entspannend, der Maschine dabei zuzusehen, wie sie langsam ein immer deutlicher werdendes Bild ins Holz schneidet, was aber erst bei Verwendung des V-Fräsers lesbar wird.

CNC job erstellen

Schallbert — Mon, 22 Aug 2022

Demo video über Vorbereitung und Ausführung eines Fräsjobs

How-to: CNC job setup & quick demo↗

Die folgenden Abschnitte beschreiben die im Video gezeigten Schritte.

Checkliste zur Vorbereitung

Bei komplett heruntergefahrener Anlage:

Das Werkstück sicher im Arbeitsbereich der CNC befestigen
Die G-Code Datei auf den Maschinenrechner übertragen
Not-Aus aktiviert (verhindert unbeabsichtigtes Anlaufen)
Energieversorgung zur CNC und Peripherie einschalten
Maschinenrechner mit der CNC verbinden und CNC-Programm starten
Not-Aus deaktivieren
Zu verwendende Fräser bereitlegen und auf Beschädigungen prüfen

Checkliste für Hochfahren der CNC

Not-Aus quittieren (Schrittmotortreiber aktivieren)
Maschine referenzieren
Werkzeugwechsel auf das erste Werkzeug im Job
X/Y Werkstücknullpunkte anfahren und setzen
Z-Nullpunkt ermitteln und setzen
CNC zurück in Warteposition fahren
Spindelwarmlauf durchführen
Peripheriegeräte auf Funktion prüfen (Absaugung, Kühlschmierung etc.)

Während des Automatikbetriebs

Maschine überwachen
1. Hören: Klingt die Maschine “wie immer”? Gibt es Vibrationen oder hört sich irgend etwas merkwürdig an?
2. Sehen: Ist die Düse für Kühlschmierstoff korrekt ausgerichtet? Alle Parameter am PC im grünen Bereich? Verfahrwege OK?
3. Fühlen: Treten Vibrationen der Maschine auf? Führen z.B. Kühlgebläse einen merklichen Luftstrom?
Falls erforderlich: Werkzeugwechsel durchführen bzw. Werkzeuge vermessen
Falls etwas nicht in Ordnung scheint: Job per “Pause”-Taste unterbrechen
Im Falle eines Falles den Not-Aus betätigen

Nach Abschluss des Fräsjobs

Maschine zurück vor die Referenzschalter bewegen
Not-Aus betätigen und Maschinenrechner trennen
Energieversorgung der Maschine abschalten
Werkstück und gegebenenfalls Reststücke vom Maschinentisch nehmen
Reinigung von Maschine und Werkstück

Meine CNC vibriert

Schallbert — Thu, 14 Jul 2022

Hintergrund

Langsam werde ich mutiger im Umgang mit meiner Maschine. In letzter Zeit bearbeite ich des Öfteren Birke Multiplex in der Vollnut, möglichst mit nur einem Fräsdurchgang um nicht so lange im kalten Keller stehen zu müssen. Das bedeutet aber auch, dass die Maschine eine Tiefenzustellung Z+ von 12mm bei F2700mm/min mit einem 6mm 2-Schneider Schruppfräser bei S=24000rpm``Z+ bewältigen muss. Dabei fräse ich im Gleichlauf.

Nun fängt meine Maschine in bestimmten Situation an, hörbar zu vibrieren.

Nun liegt es nahe, die Schneidkräfte an der Maschine zu reduzieren, entweder durch Reduktion der Tiefenzustellung oder des Vorschubs. Die Drehzahl kann ich bei meinem Fräsmotor nämlich nicht weiter erhöhen. Das werde ich vielleicht auch tun, aber erst einmal möchte ich verstehen, was die Fräse zum Vibrieren bringt und ob ich das auch durch andere Maßnahmen abstellen kann, ohne die Maschinenzeit zu erhöhen oder Standzeiten meiner Fräser merklich zu reduzieren.

Problembeschreibung

Die Maschine vibriert nicht nur bei Konturschnitten, sondern auch wenn ich Taschen fertige. Allerdings nur bei bestimmten Bewegungsrichtungen. Es fühlt sich so an, als würde sich die ganze Maschine leicht schütteln, und das Geräusch ähnelt einem Stuhl, der unter Last über Parkettboden zurückgeschoben wird.

Um das etwas zu verdeutlichen, habe ich zwei kleine Referenzvideos gemacht.

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Vibrationen nur an bestimmten Stellen beim Taschenfräsen (80% Räumzustellung)

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Vibrationen beim Formatieren

Analyse

Das Fräsbild sieht trotz Vibrationen ordentlich aus.

Ich habe versuchsweise ein paar Einstellungen angepasst: Reduzierte Tiefenzustellung Z+ von nur noch 6mm bei erhöhtem Vorschub von 3600mm/min mit demselben Fräser - Vibrationen abgestellt.

Nun war es zugegebenermaßen nicht so klug, zwei Parameter gleichzeitig zu ändern - so weiß ich nicht, ob die erhöhten Schnittkräfte oder ein Vorschub im Resonanzbereich der Maschine zu den Vibrationen lag - tsja.

Dennoch habe ich den Maschinenhersteller auf das Problem angesprochen hier verlinkt, und seiner Meinung nach ist der wahrscheinlichste Grund die etwas schwach ausgelegte Verbindung zwischen Fräsmotor und Z-Achse.

Der Fräsmotor hat weniger hochwertige Lager als professionelle Hochfrequenzspindeln, also sind sie potentiell eher von Spiel betroffen. Außerdem klemmt die 42mm Eurohals-Halterung den Fräsmotor mit nur einer Verschraubung, die zudem bei recht niedrigen 7Nm drehmomentbegrenzt ist, da der vordere Lagersitz des Fräsmotors sonst zu stark gequetscht wird.

Im Gegensatz dazu werden Motorspindeln meist direkt und vollflächig mit der Z-Achse verschraubt, sodass Kraftschluss und Kontaktfläche viel größer ausfallen.

Ergebnis

Ich habe jetzt ein paar Optionen:

Weiter mit großer Tiefenzustellung arbeiten und die Vibrationen und damit einhergehenden erhöhten Maschinenverschleiß tolerieren
Geringere Zustellungen fahren, dafür aber Maschinenzeit opfern
Die Spindel aufrüsten, welches meine Maschine deutlich teurer macht
Mein Maschinenbett aufrüsten und so die Steifigkeit des Grundrahmens erhöhen

Update: Maschinenvibration 12. Sept. 2023

Inzwischen sind sowohl Spindel als auch das Maschinenbett aufgerüstet. Die Vibrationen sind leider immer noch da. Das finde ich ziemlich ärgerlich. Wenn ich mir die Umstände nochmal genau ansehe, dann treten die Vibrationen immer dann auf, wenn sich das Portal vorwiegend auf der breiten Achse (bei mir X) bewegt, gleichzeitig aber ebenfalls leicht auf der Längsachse (Y) unterwegs ist. Fahre ich nur in Y, passiert nichts. Fahre ich nur in X, treten die Vibrationen schwächer auf. Ich kan inzwischen ebenfalls sagen, dass die Vibrationen in schwächerer Form auch in Acrylglas bei einer Tiefenzustellung von Z+5mm, Vorschub F3000mm/min und einem 4mm-Einschneider auftreten. Da ich inzwischen Maschinenbett und Spindelbefestigung als Ursache sicher ausschließen kann, muss die Ursache im Zusammenspiel der Portalachsen begründet sein.

CNC: Überlastung Fräsmotor

Schallbert — Sat, 18 Jun 2022

Was ich eigentlich wollte

Ich hatte eine Anfrage zum Schneiden und Gravieren von Hochdrucklaminaten. Dabei handelt es sich um eine Lasagne aus gepresstem Papier und Phenolharz, überzogen mit einer dünnen Schicht (farbigen) Melaminharzes. HPL ist so widerstandsfähig, dass es für Fassadenbeplankungen verwendet wird. Es ist spülmaschinenfest und einige Varianten können auf bis zu 200°C erhitzt werden, ohne Schaden zu nehmen. HPL findet man als Platten auf Spielplätzen, Gartentischen, als Paneele in der Straßenbahn und an vielen anderen Stellen im Alltag. Also dachte ich mir: “Cooles Zeug, Probieren geht über Studieren!”

Schnittdaten in Hochdrucklaminaten (HPL, “Resopal”)

Ich habe die von einigen Websites empfohlenen Schnittdaten mit Werten für “Hartholz” verwendet. 2-Schneider.Holz-Hartmetallschaftfräser, Schnittgeschwindigkeit 450m/min, d6mm, Z+6,5mm, S24000rpm, F3500mm/min, Vollnut, Gleichlauffräsen.

Schnittergebnisse

Und ich war erschrocken, wie der Schnitt aussah, als ich fertig war. Hier sind die Symptome:

Während des Schneidens fiel die Spindeldrehzahl wiederholt ab, stieg aber schnell wieder auf die gewünschte Drehzahl an.
hohe Spanlast am Fräser, große Späne, sah alles gut aus
der Fräser folgte keiner geraden Linie: schien dem Material irgendwie ausweichen zu wollen.
bei der Herstellung von Anbindungen, um das Werkstück an Ort und Stelle zu halten, bewegt sich der Fräser ein wenig quer zur Fräsbahn, obwohl er das nicht sollte

Suche nach dem Übeltäter

Zuerst habe ich die Spindel überprüft. Keine Überhitzung, immer noch fest an der Portalfräse eingespannt, kein Lagerspiel, Schaftfräser sicher befestigt. Dann dachte ich: “Vielleicht stimmt etwas mit dem Portal nicht? Kann ich es merklich verwinden?” Nein, das konnte ich nicht. Dann sah ich mir den Schaftfräser an.

Es sah überhaupt nicht gut aus. Die Schnittkanten waren an den Stellen, an denen sie das Material berührt hatten, praktisch weg. Seltsam. Es war nagelneu als ich den Auftrag begann, und der lief nicht einmal 20 Minuten lang.

Analyseergebnisse

Ich habe viel zu aggressive Schnittdaten verwendet.
Dadurch wurde der Motor der Oberfräse weit über seine Möglichkeiten hinaus betrieben.
Dies führte zu einem plötzlichen Abfall der Motordrehzahl.
Dies wiederum führte zu einer erhöhten Spanbelastung meines Fräsers
Da die Lager und die Befestigung des Fräsmotors am Portal “weich” sind, versuchte der Fräser, seiner Fräsbahn auszuweichen
Dies hat mich wahrscheinlich vor dem Bruch des Fräsers bewahrt.

Verbesserungen

Neubewertung der Schnittparameter für Hochdrucklaminat

Ich habe nochmal online recherchiert. HPL ist unglaublich hart und steif. Hier mal ein paar Werte zum Vergleich (Brinellhärte):

Buche: ~3.7N/mm² (Source)
HPL: ~185N/mm² (Source)
Baustahl ST70: 215N/mm² (Source)

Des Weiteren fand ich einige Empfehlungen zur spanabhebenden Verarbeitung von HPL, z.B.: “Vollhartmetallfräser sollten eine Schnittgeschwindigkeit von bis zu 150m/min” und “Diamantbeschichtungen aufweisen oder als Einschneider zur Bearbeitung von Aluminium ausgeführt sein”.

Zwischenlösung

Um die Dinge zu korrigieren, habe ich alle Ausschnitte mit den Schlicht-Einstellungen in CAM erneut durchgeführt. Mit einem neuen Schaftfräser und weniger aggressiven Vorschubgeschwindigkeiten von F2500mm/min und einer aktualisierten Tiefe pro Durchgang von Z+1,5mm. Das Ergebnis sieht jetzt viel besser aus.

Optimierung der Schnittdaten

Dann berechnen wir schnell mal neue Schnittdaten aufgrund der oben gewonnenen Erkenntnisse. Ich wähle einen 4mm Einschneider (z=1) mit Beschichtung zur besseren Wärmeabfuhr für Aluminium und lege die oben genannte Schnittgeschwindigkeit von vc=150m/min für HPL zugrunde. Weiterhin wähle ich einen Zahnvorschub von fTooth = 0,025mm, ähnlich wie beim Fräsen von Stahl.

Zieldrehzahl:

$$n=\frac{v_c}{\pi d}=\frac{150000\frac{mm}{min}}{\pi \cdot 4mm}=12000\frac{1}{min}$$

Zielvorschub:

$$F=n \cdot f_{Tooth} \cdot z = 12000\frac{1}{min} \cdot 0,025mm \cdot min \cdot 1= 300\frac{mm}{min}$$

Ich habe einen 4mm-Schaftfräser gewählt, weil das Drehmoment meines Fräsmotors bei sinkender Drehzahl überproportional abnimmt. Bei größerem Fräserdurchmesser würde dieser Effekt wahrscheinlich zu einer unzureichenden Schnittleistung führen. Spindeln mit einer Asynchronmaschine sind hier durch ihr konstant hohes Drehmoment im unteren Drehzahlbereich (bei Vektorsteuerung kann es sogar deutlich über dem Nennmoment des Motors liegen) ganz klar im Vorteil.

Der berechnete Vorschub kommt mir so langsam vor. Ich hoffe, dass sich das Material dadurch nicht so stark erhitzt, dass es delaminiert (laut Wikipedia schmilzt es nicht…)

Zur Information: Hier ist der zugehörige Thread in dem Forum, das ich regelmäßig besuche.

Weitere Tests

Ich habe einige Teile mit oben angesprochenem Fräser und Einstellungen gefertigt. Um die Fertigungszeiten etwas im Zaum zu halten, habe ich die Werte leicht angepasst: ftooth = 0.04mm und vc = 130m/min. Für den 4mm Fräser ergibt sich

S = 10300U/min
F = 410mm/min
Z+ = 3mm
vc = 1%

Dieser Schaftfräser lebte etwa 1 Stunde lang. Nicht lange genug. Das Schneiden mit einem solchen Fräser könnte nie wirtschaftlich werden. Das HPL, das ich verwende, hat zwei Materialeigenschaften, die Hartmetallfräser schnell zerstören: Erstens ist es abrasiv, sodass die dünne Schneide des Fräsers abgetragen und zerstört wird. Meines ist ganz besonders abrasiv, da es einen unheimlich hohen Faseranteil besitzt. Zweitens leiten die Späne die entstehende Wärme nicht gut von der Schneide ab, so dass ihre Schärfe noch schneller nachlässt. Hitze scheint das Kryptonit für Hartmetallfräser zu sein.

Endgültige Lösung

Eine wirtschaftlichere Lösung mit 40-facher (Herstellerangabe) Lebensdauer wäre ein Hartmetallfräser mit Diamantschneiden (z. B. wie dieser hier). Der Nachteil ist, dass sie fast zehnmal so teuer sind. Wenn ich dieses Material in Zukunft öfter schneiden muss, kaufe ich vielleicht einen und teile meine Erfahrungen - in der Zwischenzeit lasse ich die Fräser lieber schärfen, um Geld zu sparen.

Mein Fräser 'kreischt'

Schallbert — Mon, 06 Jun 2022

Einordnung

Ich arbeite gerade an meinem allerersten CNC-Fräsprojekt: Eine “Opferplatte” mit Schraubmuffen und T-Nuten für die Niederhalter, welche einen Anschlag für Werkstücke und eine Aufnahme für den Werkzeuglängensensor besitzt.

Auf der Oberfräse habe ich bis jetzt nur gerade genutete HSS-Fräser mit großen Durchmessern verwendet. Für die CNC kaufte ich nun 6-mm-Vollhartmetallfräser “Fischschwanz” mit zwei Schneiden und einer Arbeitslänge von 21mm. Und der klingt einfach furchtbar, ganz anders als ich es von der Oberfräse gewöhnt bin.

Die Verwirrung des Anfängers

Mit diesem Fräser habe ich die vom Hersteller empfohlenen Vorschübe und Geschwindigkeiten für Hartholz auf meinem Werkstück aus mitteldichten Faserplatten eingehalten (Tiefe pro Durchgang: 6mm, Vorschub: 3500mm/min, Drehzahl: 24000U/min). Aber offensichtlich mache ich etwas falsch, denn beim Schneiden gibt es ein schrecklich lautes, unangenehmes schrilles und zischendes Geräusch.

Ich habe die Vorschubgeschwindigkeit allmählich erhöht, weil ich den Eindruck hatte, dass die Fräser wegen zu geringen Vorschubs so klingen. Ich landete bei 9100mm/min (!), wo es etwas besser war. Trotzdem ging dieses unangenehme Geräusch nicht weg.

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Fräser 'kreischt' beim Zerspanen von MDF

Analyse

Nachdem die 15-minütige Arbeit beendet war, habe ich den Schaftfräser angefasst - die Spannuten sind so gut wie neu und der Fräser fühlt sich kaum warm an. Hmm. Auch der Fräsmotor klang nicht gestresst. Meine Schrittmotoren ließen die Maschine buchstäblich durch das MDF pflügen (reibungslos und ohne Probleme), ich musste sogar die Absaugung aufdrehen, um nicht im Staub zu ertrinken. Auch das Ergebnis sieht für mich gut aus; die Toleranzen sind eng und der Schnitt ist so sauber, wie ich es erwarte - viel besser als ich es von Hand hätte machen können.

Offene Fragen

Was mache ich also falsch? Ist dieses Geräusch “normal” für einen 2-Schneider mit so kleinem Durchmesser? Braucht MDF ganz andere Parameter als Hartholz, um leise zu schneiden, z.B. viel weniger Spindeldrehzahl? Muss ich in meinem CAM-Tool eine andere Frässtrategie wählen?

Diese Fragen stelle ich schnell mal im Forum.

Fragen beantwortet

OK, ich habe eine Antwort vom Hersteller des Bits. Dieses Geräusch ist normal für Schaftfräser, die auf das Schneiden von Holz spezialisiert sind. Nun denn. Wahrscheinlich sollte ich ein Gehäuse für meine Maschine bauen und ein paar sehr gute Ohrstöpsel kaufen. 😬 Nach ein paar Gesprächen mit einem weiteren Werkzeughersteller bestätigt sich diese Aussage nochmal:

“Zweischneider sind immer lauter als gleichgroße Ein- oder Dreischneider. Ihre im 180°-Winkel gegenüberliegenden Flanken sorgen durch die im Wechsel im Eingriff befindlichen Schneiden für zusätzliche Schwingungen des Fräsers. Dafür bieten sie ein besseres Verschleißverhalten als Einschneider und ermöglichen eine bessere Spanabfuhr als Dreischneider.”

Vergleich: Gleiches Material, anderer Fräser

Hier ist ein Vergleichsvideo um zu beurteilen, wie unterschiedlich Fräser in demselben Material klingen können: 14mm 3-Schneider Planfräser, 10mm Schaft, S5500, F7100, Z0.3, Fxy 90%

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14mm Planfräser nivelliert in aller Ruhe meine Opferplatte.

Zum Testen habe ich in meinem CAM-Werkzeug eine Spiralstrategie verwendet, die 50% mehr Zeit benötigt als die typischen “Rasenmäher”-Strategien. Auf diese Weise gibt es keine sichtbaren Fräsbahnen im fertigen Material.

CNC Teil5 - Makros

Schallbert — Wed, 11 May 2022

Dies ist der fünfte Teil meiner Serie über Portalfräsmaschinen. Er befasst sich mit praktischem Zubehör, welches das Leben als CNC-Bediener erleichtert und zu schnelleren und genaueren Fräsergebnissen führen kann.

Übersicht

In diesem Artikel geht es um Makros für die CNC, mit deren Hilfe sich wiederholende Vorgänge automatisiert werden können. Ich decke sowohl grundlegende als auch anspruchsvollere Makros für mehrere Zwecke wie automatische Z-Nullstellung, Werkzeuglängenmessung oder Werkzeugwechsel ab. Ich führe ein paar G-Code Befehle ein. Die Beschäftigung damit half mir dabei, ein tieferes Verständnis der Funktionsweise zu erarbeiten und damit “Vertrauen” zu meiner Maschine aufzubauen.

Haftungsausschluss

Die folgenden Subroutinen wurden für den RS274 NGC Interpreter geschrieben. Ich habe sie mit EdingCNC validiert, da dies die von mir verwendete CNC-Software ist. Ich habe einige Aspekte von Makro-Dateien abgeleitet, die sowohl Sorotec als auch Eding zusammen mit ihren Maschinen ausliefern.

⚠️ Ich kann für die Funktion des hier beschriebenen Codes auf anderen Maschinen keine Verantwortung übernehmen. Meine Absicht ist lediglich zu erklären wie die Makros funktionieren.

Was ist ein Makro?

Ein Makro oder Unterprogramm ist eine Sammlung von Anweisungen, die für den CNC-Interpreter geschrieben wurden, um Aktionen auszuführen. Sie werden oft verwendet, um wiederkehrende Vorgänge zu automatisieren. Auf meiner Maschine beginnt ein solches Makro mit einem SUB-Befehl und endet mit einem ENDSUB. Makros enthalten oft Verzweigungslogik und G-Code-Befehle, beispielsweise um die Maschine Bewegungen ausführen zu lassen, Parameter abzuspeichern oder Benutzerdialoge anzuzeigen.

Auf meiner Maschine befinden sich alle Makros in einer einzigen Datei namens macro.cnc, die von meiner CNC-Software beim Start eingelesen wird. Einige “Soft-Buttons” der Software rufen direkt Makros aus dieser Datei auf, z.B. für die Referenzfahrt.

Als kleine Einführung öffne ich das Dokument macro.cnc mit einem Texteditor. Ich suche nach Sub user_9 (es sollte eine Routine sein, die nichts Relevantes tut), entferne ihren Inhalt und füge stattdessen MSG "hello world!" ein. Abspeichern, CNC-Software öffnen, die Taste 9 im user menu drücken und Voilà!

Ein einfaches Makro zur Erkennung des Status des Werkzeuglängensensors

Legen wir los und verbinden das neu erworbene Wissen über Makros mit einem nützlichen Beispiel.

Der Werkzeuglängensensor

Ein Werkzeuglängensensor (im Folgenden WZLS) ist ein Zubehörteil, das an einen Eingang der CNC-Maschine angeschlossen wird und bei Berührung (z.B. durch eine Werkzeugspitze) auslöst. Es gibt viele verschiedene Ausführungen, von einem einfachen Mikroschalter mit Gehäuse und Tastmechanismus bis hin zu hochpräzisen induktiven Sensoren aus feingedrehtem Edelstahl mit automatischer Luftspülung um sicherzustellen, dass die Oberfläche des Sensors sauber ist.

Der Werkzeuglängensensor wird entweder am Maschinenbett, auf dem Ablagetisch oder einfach an einer anderen festen Position an der Maschine angebracht. Meiner ist ein sehr einfacher Schalter. Seine Wiederholgenauigkeit ist mit 10µm angegeben.

Makro-Aufgabe

Das Makro soll vor der Messung prüfen, ob der WZLS betriebsbereit ist. Ich teste also, ob der Sensorschalter den Status “nicht ausgelöst” hat. Seine Verdrahtung ist als “normally closed” (NC) ausgeführt. Falls er doch ausgelöst ist (seine Kontakte also offen sind), könnte das Folgendes bedeuten:

Der Sensor klemmt in der ausgelösten Position
Kabelbruch in der Zuleitung zum WZLS
Sensor ist nicht mit der Maschine verbunden

Code: Prüfe Betriebsbereitschaft WZLS

SUB is_sensor_ok
 IF [sensorStatus == triggered] ;# 5068 == 0 (normally closed)
 DLGMSG "Tool length sensor not connected or already triggered - please check"
 IF [dialogButton == 1]
 IF [sensorStatus == triggered]
 ERRMSG "Tool length sensor input still unexpected - aborting"
 ENDIF
 ELSE
 ERRMSG "User abort."
 ENDIF
 ENDIF
ENDSUB

Der Name des Makros lautet is_sensor_ok. Ich prüfe den Sensorstatus und zeige eine Dialogmeldung an, falls hier etwas nicht stimmt. Sobald auf “OK” gedrückt wird, gehe ich davon aus, dass das Problem behoben wurde und versuche es erneut. Wenn er immer noch ausgelöst ist, breche ich die Routine ab.

Dieses Prüf-Makro ist in allen folgenden Abschnitten zu finden.

Benennung von Variablen

Die RS274/NGC-Sprache ist alt. Wirklich alt. Ihre erste Version wurde in den späten 1950er Jahren veröffentlicht. Kein Wunder, dass die Parameter (#1 - #5399 ist der erlaubte Bereich) alle numerisch sind. Sowohl in der Benennung als auch in den Werten, die sie speichern können. Es gibt kein Typsystem (wie Strings, int usw.) und keine praktischen Aliase oder menschenlesbare Namen, die das Verständnis eines Parameters wie sensorStatus erleichtert.

Im Makro auf der Maschine wird stattdessen #5068 erscheinen man muss sich selbst daran erinnern, dass der Hersteller der CNC-Software such auf diese Variable festgelegt hat, um den Status des Werkzeuglängensensors zu kennzeichnen. Und dass sie vom Typ boolean ist mit 0 = nicht ausgelöst und 1 = ausgelöst.

Um den Makrocode so lesbar und verständlich wie möglich zu gestalten, verzichte ich in diesem Artikel auf die Verwendung von numerischen Parameternamen. Eine Übersetzungstabelle ist ganz unten zu finden.

Verwendung des Werkzeuglängensensors zur Ermittlung der Werkstückhöhe (Z=0)

Hiermit kann die Werkstückhöhe automatisch eingemessen und auf der Obefläche abgenullt werden. So entfallen das manuelle Absenken der Z-Achse bis das Werkzeug die Oberfläche leicht ankratzt und dann das Festlegen der Werkstückkoordinaten.

Sobald das Makro programmiert und eingerichtet ist, wird der WZLS möglichst mittig auf dem Werkstück platziert und die Spindel der Maschine mit ein paar Millimeter Luft direkt über diesem in Position gebracht. Dann wird das Makro gestartet. Die Maschine wird nun automatisch ihre Z-Achse langsam absenken, bis der Sensor schaltet. Dann fährt sie sehr langsam zurück, bis der Sensorkontakt wieder geschlossen ist. Dieser Punkt wird dann zur Bestimmung von Z0 herangezogen, welcher dann automatisch gesetzt wird.

Voraussetzungen

Bevor wir das Makro schreiben können, benötigen wir die Z-Position des Werkzeuglängensensors “zTls” zum Zeitpunkt des Umschaltens von “ausgelöst” auf “nicht ausgelöst”. Ich habe meine vorerst (denn das ist nicht sehr genau) mit einem Messschieber gemessen und notiert. Wir brauchen diesen Wert, damit die Maschine ihn beim Ansetzen von der Z-Höhe abziehen kann, um die Position der Werkstückoberfläche zu ermitteln.

Wie man die Messung des Auslösepunktes präziser hinbekommt soll Gegenstand eines eigenen Artikels werden.

Außerdem ist es wichtig zu wissen, wie der Schalter mit der Maschine verbunden ist. Die bevorzugte Art ist “NC”, d.h. der Schalter öffnet sich, wenn er ausgelöst wird: “Ausgelöst = 0”.

Schließlich müssen wir den Vorwärts- und Rückwärtsvorschub des Messtasters festlegen, z.B. Absenken = 100mm/min, Anheben = 10mm/min.

Das Makro enthält auch einen etwas aufwendigeren Teil: Wenn Z0 gemessen werden soll, obwohl die aktuell Werkzeuglänge noch unbekannt ist, macht das keinen Sinn: Bei einem Werkzeugwechsel wäre sie nicht in der Lage, den Nullabgleich auszuführen.

Daher wird in diesem Fall die Werkzeugvermessung zwischengeschoben: die Maschine speichert die aktuelle Position posX, posY vor der Fahrt zum Werkzeuglängensensor in Hilfsvariablen zwischen und führt direkt das Makro get_tool_length aus. Anschließend fährt sie wieder in die Ausgangsposition zurück, um die Vermessung von Z0 nachzuholen.

Das Unterprogramm “Z0 bestimmen”

Nach dem Ausschalten der Spindel senkt das Programm mit dem Befehl G38.2 die Z-Achse der Maschine ab, bis der Fräser Werkzeuglängensensor auslöst (oder bis sie ohne eingelegtes Werkzeug so weit nach unten gefahren ist, dass die Spindelnase den Sensor fast berührt, wo das Makro dann wiederum abbrechen würde, weil es den Sensor nicht gefunden hat). Sobald der Sensor ausgelöst, fährt die Maschine vorsichtig die Z-Achse wieder hoch. Der Punkt der erneuten Freigabe des Sensors durch das Werkzeug wird dann als Koordinaten-Offset für die Z-Achse mit dem Befehl G92 gespeichert.

Code: Werkstücknullpunkt bestimmen

Bevor wir beginnen stellen wir sicher, dass alle Vorbedingungen erfüllt sind:

Die Werkzeuglänge ist bekannt
Der WZLS ist korrekt angeschlossen

SUB measure_workpiece_z0
 IF ![toolLengthStat]
 DLGMSG "WARNING - Please first measure tool length!"
 IF [dialogButton == 1]
 xPosReposition = xPos
 yPosReposition = yPos
 repositionTo = 1
 GOSUB get_tool_length
 ENDIF
 ENDIF

 GOSUB is_sensor_ok ;# Check if tool length sensor status is OK

Programmieren wir nun die eigentliche Routine, indem wir abfragen, ob der Z-Nullabgleich jetzt durchgeführt werden soll. Wenn die CNC im Simulationsmodus läuft (ohne angeschlossene Hardware), wird der Z-Nullabgleich nicht funktionieren. Also müssen wir auch dies überprüfen und den Schritt gegebenenfalls überspringen.

 DLGMSG "Start Z-Zeroing?"
 IF [dialogButton == 1] AND [operatingMode != simulator]
 M5 ;#Switch spindle off
 M9 ;#Switch coolant off
 G53 G38.2 Z[zSpindleTip + 5] F[touch] 
 ;# G38.2 = touch toward probe, stop on contact, flag error on fail
 ;# fail = 5mm before touching spindle tip
 IF [probeOk == 1] ;# #5067 == 1 : G38.2 command success
 G38.2 G91 Z20 F[rev] ;# now reverse slowly to find untrigger point (max. 20mm up)
 G90 ;# back to absolute coordinates
 IF [probeOk == 1] 
 G00 Z[zTouched] ;# #5063 Go to Z-axis's probe point	
 G92 Z[zTls] ;# Set Z-axis's coordinate offset (0) to tool length sensor's height
 G00 Z[zTls + 5] ;# clear sensor
 ELSE
 ERRMSG "Could not locate sensor untrigger point."
 ENDIF 
 ELSE
 DLGMSG "Could not locate sensor trigger point. Retry?" 
 IF [dialogButton == 1] 				
 GOSUB measure_workpiece_z0
 ELSE
 ERRMSG "User abort."
 ENDIF
 ENDIF
ENDSUB

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Ausführen des Makros Z-Nullabgleich auf Zerspanobert

Messung der Werkzeuglänge

Wenn die Maschine die Werkzeuglänge kennt, bevor sie den Z-Nullpunkt misst, muss der Z-Nullpunkt bei anstehenden Werkzeugwechseln während des Auftrags nicht erneut bestimmt werden. Das passende Makro beschreibe ich im Folgenden.

Vorbereitung

Die meisten CNCs leiten ihre aktuellen Positionsdaten durch Zählen der Motorschritte ab, die sie nach Abschluss der Referenzfahrt ausgeführt hat. Um nun die Werkzeuglänge zu vermessen, benötigt sie ein paar einprogrammierte Parameter:

Z-Position der Spindelnase zSpindleTip (berührt Werkzeuglängensensor ohne eingelegtes Werkzeug) damit berechnet werden kann, wie weit das Werkzeug aus der Spindel herausragt
X-Position xPosTls des Werkzeuglängensensors beim Werkzeugwechsel
Y-Position yPosTls des Werkzeuglängensensors bei Werkzeugwechseln
Sicherheitshöhe zSafety (stellt sicher, dass die Spindel auf ihrem Weg zum Werkzeugwechselbereich nicht auf ein Hindernis stößt)
Tastvorschub vorwärts und rückwärts. Wir können ihn aus dem Makro für den Werkstücknullpunkt wiederverwenden.

Die Unterroutine “Werkzeuglänge messen”

Legen wir zunächst fest, was diese Unterroutine tun soll:

Spindel, Kühlmittel etc. anhalten.
Dialog: Bediener soll geschätzte Werkzeuglänge eingeben
Eilgang Z auf Sicherheitshöhe, dann XY zur Position des Werkzeugsensors
Werkzeuglängensensor antasten, ähnlich wie bei der Werkstücknullpunktbestimmung
Werkzeuglänge berechnen
Berechnung der Differenz zwischen der letzten und der aktuellen Werkzeuglänge
Z-Nullpunkt entsprechend aktualisieren
Z im Eilgang wieder auf Sicherheitshöhe bringen

Code: Werkzeug vermessen

SUB get_tool_length
 GOSUB is_sensor_ok ;# Check if tool length sensor status is OK

 DLGMSG "Start tool length measurement? Please enter estimated tool length: " [toolLengthEst]
 IF [dialogButton == 1] AND [operatingMode != simulator]
 IF [toolLengthEst < 0]
 ERRMSG "Error: tool length cannot be negative."
 ENDIF

 IF [zSpindleTip+ toolLengthEst + 10] > [zSafety]
 ERRMSG "Error: tool too long - could collide with sensor."
 ENDIF

 M5 ;# Switch spindle off
 M9 ;# Switch coolant off
 G53 G00 Z[zSafety] ;# Go to safety height (machine coordinates)
 G53 G00 X[xPosTls] Y[xPosTls] ;# Go to tool length sensor
 G53 G00 Z[zSpindleTip + toolLengthEst + 10] ;# Move Z down to 10mm above estimated tool tip

 ;# measure tool length, save results, apply Z-offset if needed
 G53 G38.2 Z[zSpindleTip] F[touch] ;# probe sensor, latest stop point is spindle tip
 IF [probeOk == 1] ;# #5067 == 1 : G38.2 command success
 G38.2 G91 Z20 F[rev] ;# now reverse slowly to find untrigger point
 G90 ;# back to absolute coordinates
 IF [probeOk == 1] 
 toolLength = [zTouched - sTip]
 MSG "Tool length = " toolLength

 IF [toolLengthStat == 1] ;# defaults to 0 on startup
 lastToolLength = currToolLength ;# save last tool's length
 currToolLength = toolLength ;# save current tool's length
 toolLengthDiff = [currToolLength - lastToolLength]	
 G92 Z[zPos - toolLengthDiff] ;# Set Z-axis's coordinate offset (0)
 ELSE
 currToolLength = toolLength ;# save current tool's length
 ENDIF
 toolLengthStat = 1
 GOSUB reposition_spindle
 ELSE
 ERRMSG "Could not locate sensor untrigger point."
 ENDIF
 ELSE
 ERRMSG "Could not locate sensor trigger point."
 ENDIF
 ENDIF
ENDSUB

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Werkzeuglängenmakro auf meiner Maschine

In diesem Video ist die Maschine so konfiguriert, dass sie zum XY-Nullpunkt zurückkehrt, wenn die Werkzeugmessung abgeschlossen ist.

Werkzeugwechsel

Wenn es kein Makro für den Werkzeugwechsel gibt, hält die Maschine ihren Auftrag an. Sobald die Z0-Position des Werkstücks erneut ermittelt wurde (denn die Werkzeuglänge hat sich ja wahrscheinlich geändert), kann der Auftrag fortgesetzt werden.

Diese Aufgabe kann automatisiert werden, indem der Z-Nullpunkt durch Bestimmen der neuen Werkzeuglänge gegenüber der alten neu kalibriert wird.

Voraussetzungen

Ein optionales Flag getToolLength kann das Verhalten des Werkzeugwechsel-Makros konfigurieren - ob die Länge jedes Werkzeugs nach einem Werkzeugwechsel gemessen werden soll oder nicht. Wenn Sie einen automatischen Werkzeugwechsler haben, brauchen Sie dies wahrscheinlich nicht: In diesem Falle ist die Werkzeuglänge in einer Tabelle festgehalten und die Längenkompensation erfolgt ohne Vermessung.

Die folgenden zusätzlichen Parameter werden ebenfalls benötigt:

X-Position xToolChg wo der Werkzeugwechsel stattfindet (bei mir ist es xToolChg = xPosTls)
Y-Position yToolChg, wo der Werkzeugwechsel stattfindet (bei mir ist es yToolChg = yPosTls)
Wiederverwendung von zSafety aus get_tool_length Makro
newToolNumber zur Angabe des angeforderten Werkzeugs aus dem G-Code (oder bei manueller Eingabe)
currToolNumber zur Angabe des “alten” Werkzeugs, das ersetzt werden soll
ToolChangeDone-Hilfsflag, um anzuzeigen, ob ein Werkzeugwechsel bereits stattgefunden hat

Das Makro “Werkzeugwechsel”

Die folgenden Schritte werden von dem Makro ausgeführt, wenn ein Werkzeugwechsel entweder durch den Befehl M06 “Werkzeugwechsel” in der G-Code-Datei eines Jobs oder manuell durch Benutzer ausgelöst wird:

Spindel, Kühlmittel etc. anhalten.
Wenn das angeforderte Werkzeug das aktuelle Werkzeug ist, erscheint ein Dialog mit der Frage, ob es trotzdem gewechselt werden soll.
Z im Eilgang nach oben (zSafety), dann XY auf die Werkzeugwechselposition fahren
Dialog: Angabe des aktuellen Werkzeugs a und Aufforderung, das gewünschte Werkzeug b einzusetzen
Prüfen, ob die Werkzeugwechselkonfiguration die Bestimmung der Werkzeuglänge impliziert. Wenn ja, Makro “get_tool_length” aufrufen.

Code

SUB change_tool
 toolChangeDone = 0
 M5 ;# Switch spindle off
 M9 ;# Switch coolant off

 IF [operatingMode != simulator]
 TCAGuard off ;# tool change area guard: off for tool change

 ;# handle case that tool is already in place
 IF [newToolNumber == currToolNumber]
 DLGMSG "Tool already mounted. Change anyways?"
 IF [dialogButton == 1]
 toolChangeDone = 0
 ELSE
 toolChangeDone = 1
 ENDIF
 ENDIF

 ;# go to tool change position and prompt to change tool
 IF [toolChangeDone == 0]
 G53 G00 Z[zSafety] ;# Go to safety height (machine coordinates)
 G53 G00 X[xToolChg] Y[yToolChg] ;# Go to tool change position
 DLGMSG "Please mount tool now. Old tool number: " [currToolNumber] 
 " New tool number: " [newToolNumber]
 IF [dialogButton == 1]
 IF [newToolNumber > 99] OR [newToolNumber < 0]
 TCAGuard on ;# tool change area guard: on for normal job
 ERRMSG "New tool number implausible."
 ENDIF
 toolChangeDone = 1
 ELSE
 ERRMSG "Tool change aborted."
 ENDIF
 ENDIF

 ;# prompt when complete and optionally call tool length measurement
 IF [toolChangeDone == 1] 
 MSG "Tool change from " [currToolNumber] " to " [newToolNumber] " complete."
 M6 T[newToolNumber]				 ;# set new tool number

 IF [getToolLength == 1] ;# config flag 0 = no, 1 = yes
 GOSUB get_tool_length ;# Measure tool length. Careful: To be called after M6 T !
 ELSE
 GOSUB reposition_spindle
 ENDIF
 ENDIF

 TCAGuard on ;# tool change area guard: on for normal job
 ENDIF
ENDSUB

Repositionieren (auf gespeicherte Koordinaten)

Dieses kurze Makro wird von anderen Unterprogrammen aufgerufen, um die Maschine entweder zu einer gewünschten Position oder zum XY-Werkstücknullpunkt zu fahren. Es kann mit mehreren repositionTo-Flag-Werten erweitert werden, z.B.

0 = keine_Neupositionierung, 1 = benutzerdefinierte_Position, 2 = Werkstücknullpunkt, 3 = Maschinennullpunkt ...

Code

SUB reposition_spindle
 G53 G00 Z[zSafety] ;# Go to safety height (machine coordinates)
 IF [repositionTo == 1]
 G00 X[xPosReposition] Y[yPosReposition] ;# Move back to where requested before
 repositionTo = 0 ;# reset reposition flag and values
 xPosReposition = 0
 yPosReposition = 0
 ELSE
 G00 X0 Y0 ;# Move back to XY zero (workpiece coordinates)
 ENDIF
ENDSUB

Tabelle der Variablen

Typ-Erläuterungen:

protected: Parameter gehört zu festen Befehlen oder Zuständen, die schreibgeschützt sind
reserved : Parameter hat eine feste Verwendung innerhalb meiner CNC-Software
free : Parameter kann frei durch den Programmierer verwendet werden (Ist nach Not-Aus oder Neustart aber zurückgesetzt!)
persisted: Parameter wird im nicht-flüchtigen Speicher abgelegt

Systemparameter

Variable name	Parameter nr.	Type	Comment
xPos	#5001	protected	current CNC position
yPos	#5002	protected	current CNC position
zPos	#5003	protected	current CNC position
currToolNumber	#5008	protected	[1…99]
newToolNumber	#5011	protected	[1…99]
zTouched	#5063	protected	Z where sensor touched
probeOk	#5067	protected	1 = OK
sensorStatus	#5068	protected	1 = triggered
operatingMode	#5397	reserved	1 = simulator
dialogButton	#5398	reserved	1 = OK

Konfig-Parameter

Config-Parameter sind die Parameter, die einmal eingestellt und dann konstant gehalten werden, da sie an die CNC und ihre Geometrie gebunden sind.

Die Volatilität der Parameter hängt stark von der CNC-Softwarelösung ab, die Sie verwenden, und die Anzahl der freien Parameter kann unterschiedlich sein. In meiner Software werden die Variablen im Bereich “#4000 - #4999” beibehalten, während alle anderen freien und reservierten Parameter flüchtig und/oder skaliert sind.

Variable name	Parameter nr.	Type	Comment
triggered	#4400	free, persisted	1 = normally open
currToolLength	#4501	free, persisted	[mm]
lastToolLength	#4502	free, persisted	[mm]
zSafety	#4506	free, persisted	Z position for move
xPosTls	#4507	free, persisted	tls position
xPosTls	#4508	free, persisted	tls position
zSpindleTip	#4509	free, persisted	Z zpindle on tls
zTls	#4510	free, persisted	TLS height [mm]
toolLengthEst	#4511	free, persisted	[mm]
touch	#4512	free, persisted	touch feed [mm/min]
rev	#4513	free, persisted	reverse feed [mm/min]
getToolLength	#4520	free, persisted	Flag, 1 = Yes
xToolChg	#4521	free, persisted	tool change position
yToolChg	#4522	free, persisted	tool change position

Flag-Parameter

Freie Parameter können nach Belieben verwendet werden. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass nicht versehentlich eine bestehende Systemvariable wiederverwendet oder überschrieben wird.

Variable name	Parameter nr.	Type	Comment
toolLengthStat	#3501	free	1 = measured
toolLengthDiff	#3502	free	[mm]
toolChangeDone	#5015	free	1 = Yes
repositionTo	#5020	free	Flag, 1 = Yes
xPosReposition	#5021	free	reposition flag
yPosReposition	#5022	free	reposition flag
toolLength	#5024	free	[mm]

PS: Damit die obigen Code-Beispiele ordentlich angezeigt werden, habe ich fürs Markup die Sprachinterpretation ruby verwendet. Hier kommt die farbige Syntax-Markierung am besten überein mit der Logik des NGC-interpreters.

CNC Teil 4.1 - Konfiguration

Schallbert — Tue, 08 Mar 2022

Dies ist Teil 4.1 meiner Reihe über Portalfräsmaschinen. Er hängt eng zusammen mit Teil4, konzentriert sich aber auf die korrekte Einstellung meiner Steuersoftware für die Fräse.

Hardware

EdingCnc V5A-4E Prozessorboard oder ähnlich
Interface Advanced PRO Breakout board oder ähnlich
Adapter Board falls nötig zum Verbinden von Prozessor- und Breakout board

Diese Komponenten sind notwendig, um die von der CNC-Software erzeugten Befehle in Signale der physischen Welt zu übersetzen, die mit Materie interagieren können. Die Breakout-Platine wird vom CNC-Prozessor gesteuert und bietet Relaisausgänge für die Oberfräse und meinen Staubabscheider, so dass ich sie über den Laptop einschalten kann. Es gibt auch analoge Spannungsausgänge, z.B. zur Steuerung der Spindeldrehzahl, und mehrere Eingänge, z.B. zum Ablesen des Referenzschalterstatus und zur Rückmeldung von Ereignissen an die CNC-Software.

Natürlich gibt es viele Hersteller für diese Schaltkreise. Ich verwende das oben genannte Ökosystem, so dass ich nur für dieses sprechen kann. Die zugrundeliegende Technologie ist stets ähnlich oder sogar identisch, und obwohl Sie vielleicht eine andere Benutzeroberfläche oder einen anderen Kommunikationskanal wie USB haben, wird Ihre Software wahrscheinlich ähnliche Einstellungen bieten.

Setup Bildschirm 1

Kinematik

Wie bereits ausführlich in diesem Beitrag beschrieben, zeigt der grüne Rahmen die Kinematikeinstellungen. Ein negatives Vorzeichen in Schritte/[mm] bedeutet, dass die Richtung des Schrittmotors invertiert ist. Zu beachten ist, dass das Feld “Umkehrspiel” 0 bleiben kann, wenn Kugelumlaufspindeln verwendet werden. Ich verwende einfache Kinematik, da ich keine Drehachse besitze. Also ist das Koordinatensystem kartesisch.

Referenz / Notaus

Dieser Abschnitt steuert, wie die Software die Signalpegel für die Eingangsschalter auf der Schnittstellenkarte interpretiert. Obwohl ich sicher bin, dass ich alle Eingänge “normal geschlossen” verdrahtet habe, um einen unentdeckten Kabelbruch zu vermeiden, musste ich den Eingang für den Notschalter invertieren.

Spindel

Diese Einstellungen sind sehr spezifisch für die Maschine, die Sie verwenden. Ich wollte, dass die Spindel anhält, wenn ich einen Auftrag unterbreche, und dass sie automatisch wieder anläuft, bevor ich den Auftrag fortsetze.

Der Parameter ApproachFeed ist ein wenig verwirrend, weil der Standardwert hier sehr niedrig ist. Seine Bedeutung ist die folgende: Er gibt den Vorschub der Z-Achse nach unten an, wenn ein Auftrag angehalten und die Z-Achse zuvor aufwärts bewegt wurde. Wenn Sie den Auftrag fortsetzen, wird die Z-Achse mit diesem Vorschub abgesenkt, und wenn die Zieltiefe erreicht ist, wird der Auftrag normal fortgesetzt. Ich habe 600mm/min als einen Wert eingegeben, den die meisten Schaftfräser bewältigen können sollten.

Setup Bildschirm 2

Viele Einstellungen hier lasse ich (vorerst) bei ihren Standardwerten. Auf meine Anpassungen gehe ich weiter unten ein.

Benutzeroberfläche

Ich wollte, dass das Referenzieren der Maschine Pflicht ist, bevor ich einen Auftrag laden oder die Achsen der Maschine im Eilgang verfahren kann. Außerdem musste ich “automatischer Werkzeugwechsel” anwählen, obwohl ich keinen Werkzeugwechsler habe: sonst würde mein Makro für den manuellen Werkzeugwechsel nicht aufgerufen werden.

Schnittstelle E/A

Um die Hardware-Einstellungen des Breakout-Boards zu berücksichtigen, musste ich einige Software-Ausgänge invertieren. Wenn ich z.B. PWM1 nicht invertiert hätte, würde die Spindel mit voller Drehzahl starten, obwohl ich nur 5000rpm wollte und umgekehrt. Dies liegt an teils unterschiedlicher Interpretation der Logikpegel, welche als “open collector” oder auch “open emitter” ausgelegt sein können.

Variablen-Bildschirm

Parkposition G28 / G30

Ich stelle meine Parkpositionen so ein, dass ich effizient arbeiten kann. Einer dieser Befehle bewirkt, dass die Achsen auf den XY-Nullpunkt meines Anschlags fahren, den ich auch in CAM zum Werkstück-Nullpunkt mache, so dass das Einnullen wirklich einfach wird.

Die andere Parkposition wird auf einen Punkt gesetzt, an dem die Referenzschalter aller drei Achsen ganz nah sind, so dass das Referenzieren der Maschine nach dem Hochfahren sehr schnell abläuft.

Überwachung der Variablen

Schauen wir uns das Überwachungsfenster an. Hier können Sie eine Variable aus dem Interpreterbereich der RS274 NGCeingeben und sich deren aktuelle Werte anzeigen lassen. Dies ist praktisch, wenn Sie Makros debuggen oder einfach nur interne Parameter wie die gemessene Werkzeuglänge, die Lage des aktuellen Z-Nullpunkts etc. ablesen wollen.

CNC Teil4 - Setup

Schallbert — Thu, 03 Mar 2022

Dies ist der vierte Teil meiner Reihe über Portalfräsmaschinen. Er konzentriert sich auf das Zusammenspiel von Hardware und Software, sodass mein fertig aufgebauter “Zerspanobert” bald im Produktivbetrieb arbeiten kann.

Kinematik

Bevor die CNC-Software auf meiner BasicLine 0607 arbeiten kann, muss sie korrekt eingerichtet werden. Sie muss die Verfahrbereiche der Maschinenachsen kennen und wissen, wo sich die Referenzschalter befinden. Außerdem ist relevant, in welche Richtung die Schrittmotoren gedreht werden müssen, um eine “positive/negative” Achsenbewegung zu erreichen.

In einem ersten Schritt muss entschieden werden, wie die Achsen der Maschine benannt werden (X, Y, Z), wo alle Achsen tatsächlich 0 sein sollen, und in welche Richtung die Bewegung gehen soll (positiv, negativ). Alle diese Koordinatenpunkte sind relativ und können willkürlich gewählt werden, aber es gibt einige Konventionen in der CNC-Welt:

Achsen:

Die X-Achse liegt auf dem Portalbett und bewegt die Y-Achse des Portals.
Die Y-Achse befindet sich oben auf dem Portal und bewegt die Z-Achsen-Baugruppe.
Die Z-Achse befindet sich an der Spindel und bewegt diese auf- und abwärts.

Maschinen-Nullpunkt

Maschinen- Nullpunkt und -Bewegungsrichtung:

X-0 befindet sich auf der “hinteren” Seite der Achse. Die Bewegungsrichtung ist negativ.
Y-0 befindet sich auf der “linken” Seite der Achse. Die Bewegungsrichtung ist positiv.
Z-0 befindet sich auf der “oberen” Seite der Achse. Die Bewegungsrichtung ist negativ.

Für meine Maschine (sie ist breiter als lang), ihre Zugänglichkeit und den Raum, den ich zur Verfügung habe, habe ich die Achsen umgelegt. Bei mir ist die X-Achse die lange Achse des Portals und die Y-Achse befindet sich parallel zur Linearschine, die das Portal hält. Vom Arbeitstisch aus betrachtet ist der Maschinen-Nullpunkt bei mir also “hinten links oben”. Also bewegt sich Z in negative Richtung, Y ebenfalls, nur X geht zu positiven Werten.

Verwirrend, nicht wahr? Ist aber kein Problem, denn später arbeitet man kaum mehr mit Maschinenkoordinaten ;)

Bewegungsrichtungen

Für die Konfiguration habe ich meine CNC-Software Link zu EdingCNC mit der Maschine verbunden. An ihr erkläre ich das Vorgehen, was bei anderen Steuerungsprogrammen im Kern aber ähnlich funktioniert. In de Setup-Ansicht gebe ich die Anzahl Schritte ein, die vom Motor zu gehen sind, bis sich die Achse um einen Millimeter bewegt: 16 Mikroschritte/Schritt multipliziert mit 200 Schritten/Motorumdrehung geteilt durch 10mm/spindelumdrehung = 320 Mikroschritte/mm. Für die Z-Achse wird der Wert durch die bei mir engere Gewindespindel verdoppelt.

Die 16 Mikroschritte/Schritt ist der Standardwert, welcher von meinem Maschinenhersteller vorgeschlagen wurde. Es gibt ein paar gute Argumente und eine tiefgehende Analyse hier darüber, dass man Microstepping so wenig wie möglich verwenden sollte. Da ich weder eine Genauigkeit von 1µm erreichen muss, noch die Schrittmotoren bei meiner Anwendung sehr hohe Drehmomente bewältigen müssen, sollte das aber kein Thema sein.

Ohne vorher eine Referenzfahrt durchzuführen (die sowieso nicht funktionieren würde), habe ich die Maschine per Pfeiltasten vorsichtig verfahren, um zu sehen, welche Taste welche Achse in welche Richtung bewegt. Da mein Setup vom “Normal” abweicht, können die von mir gewählten Werte individuell ausfallen. Wenn eine Achse nicht mit der Pfeiltaste übereinstimmt (wenn ich z.B. “rechts” drücke und erwarte, dass sich meine X-Achse nach rechts bewegt, aber die Z-Achse tatsächlich nach unten geht), so konnte ich die Motoranschlüsse am Schaltkasten vertauschen, bis die Tasten mit den erwarteten Achsen übereinstimmten.

Wenn die Tasten die Maschine nun in die falsche Richtung bewegen - ich drücke z.B: “Bild abwärts) aber die Z-Achse bewegt sich nach oben, würde ich das Vorzeichen der Motorschrittauflösung ändern - Nicht besonders intuitiv, was? Ich habe auch ein paar Foreneinträge durchsuchen müssen, bevor ich das raus hatte.

Dies kam nun dabei heraus:

X-axis -320.000
Y-axis 320.000
Z-axis -640.000

Grenzen der Maschinenbewegung

Meine Maschine hat einen nutzbaren mechanischen Verfahrweg von 0 / 732mm in X-Richtung, -654mm / 0 in Y-Richtung, und -134mm / 0 in Z-Richtung. Diese Werte habe ich in die Maske für negative limit / positive limit eingegeben und die Vorzeichen auf Basis der Bewegungsrichtung relativ zum Maschinennullpunkt eingestellt.

Referenzschalter: Triggerpegel

Die Achsen der meisten Maschinen haben einen Referenzschalter. Diese Schalter werden verwendet, um die Maschine zu “referenzieren”. Die Referenzfahrt ist bei jedem Start der Maschine erforderlich, da die Software intern nur die XYZ-Position durch Akkumulation der Motorschritte ermittelt. Sobald das System neu gestartet wird, gehen alle diese Werte auf 0 zurück, so dass die Maschine ihre Position vergisst.

Ich habe meine Schalter so angeschlossen, dass sie “normalerweise geschlossen” sind: Ihre Kontakte sind stromführend, wenn sie nicht ausgelöst werden. Auf diese Weise kann eine fehlerhafte, offene Verbindung sofort erkannt werden, da die Maschine in diesem Fall (erfolglos) mit einer ungewöhnlich niedrigen Geschwindigkeit anfahren würde: homeVelocitySlow ist in meiner Konfiguration nur 1/10 der normalen Fahrgeschwindigkeit für das Anfahren der Nullpunkte. Trotzdem müssen wir sicherstellen, dass der Referenzfahrt-Kontakt richtig interpretiert wird. Dies kann im Abschnitt “Homing and E-Stop” des “Setup”-Bildschirms eingestellt werden. Ich gebe also eine “1” für “Normalerweise geschlossen” ein.

Referenzschalter: Position

Einige CNC-Maschinen bieten eine Positioniersteuerung mit geschlossenem Regelkreis - sie benötigen keine Referenzschalter, da ihre Motoren mit Positionsgebern ausgestattet sind, die die absolute Position jeder Achse zurückmelden. Diese Maschinen verlieren keine Schritte und sind in der Lage, Positionierungsfehler zu erkennen, die z. B. durch mechanische Überlastung verursacht werden. Man nennt solche Motoren meist Servos.

Mit Hilfe des Referenzschalters kann eine Maschine ohne geregelte Positionierung - wie meine - ihre Schrittzahl an einer bekannten Position zurücksetzen, so dass die Achsbewegung wiederholbar wird. Allerdings muss die Position des Referenzschalters bekannt sein, um die Schrittzählung korrekt den Achsenpositionen zuzuordnen, und deshalb müssen wir die Positionen der Referenzschalter an den Achsen eingeben. Ich habe mit Vorsicht beobachtet, wie weit ich die Maschine nach dem Auslösen des Referenzschalters weiter verfahren kann, bevor ich an das mechanische Ende einer Achse stoße (Menü “Jog”). Dies sind die Werte, die ich schließlich für meine Maschine eingegeben habe:

Steps/AppUnit

X-axis: 10mm
Y-axis: -4mm
Z-axis: -16mm

Not-Aus

Der Not-Aus ist ein weiterer Eingang für die CNC-Software und -Hardware. Durch Drücken dieses Schalters wird die Achsenbewegung gestoppt und im Zuge dessen sowohl Spindel, Kühlschmierstoffzufuhr als auch Hilfsstromkreise deaktiviert. Er ist auch “normal geschlossen” verdrahtet, um Verbindungsprobleme zu erkennen, und kann wie ein Referenzschalter konfiguriert werden.

Wenn der Not-Aus-Schalter aktiviert wurde, müssen die Treiber der Maschine zurückgesetzt und die Maschine erneut referenziert werden, bevor sie nach dem Loslassen der Taste wieder normal arbeiten kann.

Das Not-Aus Signal wird nicht nur an die Software gemeldet, sondern sorgt auf der Steuerplatine selbst für das Abfallen der entsprechenden Relais, sodass die Maschine in den sicheren Zustand gebracht werden kann.

Bewegungsparameter der Achsen

Die CNC-Software muss wissen, wie sie die Bewegung der Maschinenachsen richtig handhaben muss: Eine schwerere und steifere Maschine mit starken Schrittmotoren wird natürlich schneller verfahren und starke Beschleunigungen sowie ruckartige Bewegungen besser bewältigen können als weichere, leichtere Maschinen. Aus diesem Grund sollten die Bewegungsparameter Ihrer Maschine sorgfältig ermittelt und in der Software hinterlegt werden.

Achsgeschwindigkeit

“Warum sollte Zerspanobert schnell sein?” habe ich mich gefragt. Mir fielen nicht allzu viele gute Antworten ein, da die normalen Vorschubgeschwindigkeiten mit den geplanten Schaftfräsern weit unter den Möglichkeiten der Maschine liegen werden. Aber egal, hier sind einige Argumente, eine Maschine schnell verfahren zu lassen:

die Arbeitszeiten sollten nicht zu lang werden
lange Verfahrwege, die mit einer großen Maschine zurückzulegen sind
beim Schneiden weicher Materialien mit geringer Dichte können die Vorschübe viel höher sein

Wollen Sie noch immer eine schnelle Maschine? Einige Berechnungen helfen uns hier weiter.

Bestimmung der Fähigkeiten der Bewegungselektronik

Die maximale Geschwindigkeit wird durch mehrere Faktoren begrenzt:

Parameter	Symbol	Wert	Einheit
maximale Antriebsfrequenz	fD	125	kHz
Mikroschritt-Einstellung des Antriebs	N	16
max. Software-Frequenz	fS	125	kHz
Schrittzahl/Umdrehung	nS	200
Schrittmotor max. Drehzahl	nSm	3300	1/min
Kugelgewindebreite	P	0,01	m
Kugelumlaufspindel max. Drehzahl	nLm	1700	1/min

Nehmen wir ein Beispiel für einen 125-kHz-Treiber und nehmen wir an, dass die Software diese Schrittfrequenz unterstützt. Nehmen wir weiter an, dass die Motoren 200 Schritte/Umdrehung haben und der Treiber auf 16 Mikroschritte/Schritt konfiguriert ist.

Damit erreicht man eine Maximaldrehzahl der Kugelumlaufspindel von $\frac{125000}{3200} = 39$ Umdrehungen pro Sekunde oder 2340 U/min, was für einen Schrittmotor echt zügig ist. Auf einer Kugelumlaufspindel mit 10mm Gewindeweite führt das zu einer theoretischen Verfahrgeschwindigkeit von 23.4m/min, was auf einer kleinen Maschine wie meiner unglaublich schnell aussieht.

Grenzen der Mechanik

Gut, dann schauen wir mal, ob die Kugelumlaufspindeln dieses Tempo mitgehen. Die auf meiner Maschine verbaute Serie KGS16 hat eine ungestützte Strecke von ~850mm zwischen den Lagern auf der langen Achse. Aus der Online-Dokumenation des Herstellers entnehme ich hierbei eine maximale Drehzahl von 1700U/min.

Damit bleiben 70% von der anfänglichen Maximalgeschwindigkeit übrig: 17m/min. Immer noch echt flink.

Nun wissen wir aber, dass das Moment der Schrittmotore bei steigender Geschwindigkeit abnimmt. Wenden wir unseren Blick mal dorthin:

Genügend Motormoment?

Datasheet: Der Drehmomentverlauf meines Schrittmotors (Bild bereitgestellt durch Sorotec GmbH) ^[1]

Der blaue Pfeil markiert meinen Zielvorschub zum Schruppen in Holz. Hier habe ich ordentlich Drehmoment zur Verfügung um auch tiefe Nuten in einem Durchgang fertigen zu können. Selbst bei schnellen Schlichtdurchläufen oder sehr weichen Materialien (grüner Pfeil) habe ich noch fast 50% des maximalen Drehmoments zur Verfügung. Um noch genügend Luft bis zur kritischen Drehzahl der Kugelumlaufspindel zu haben, wähle ich eine maximale Geschwindigkeit für den Eilgang (G0) von 12m/min = 200mm/sek. An diesem Punkt sind von den ursprünglich 3Nm nur noch 0.7Nm verfügbar.

Mit dieser Konfiguration habe ich eine recht schnelle Maschine bei genügend Luft zu kritischen Werten.

Beschleunigungen

Stellen Sie sich vor, Sie möchten in einem Ihrer Programme einen 90°-Winkel bei einem Vorschub von 12m/min fahren. Ähnlich wie bei dem Versuch, eine sehr enge Kurve auf dem Fahrrad zu nehmen, ist dies nicht bei hoher Geschwindigkeit möglich. Man muss erst auf eine Geschwindigkeit herunterbremsen, bei der die Kurve gefahrlos genommen werden kann und danach wieder hochbeschleunigen.

Wenn wir bei der Maschine nicht bereit sind zu warten, bis eine Achse quasi zum Stillstand gekommen ist bevor die andere losfährt, schneiden wir die Ecke rund. Wenn wir jedoch bremsen, ist unsere Bahngeschwindigkeit nicht mehr konstant - ein Dilemma. Um hier einen möglichst guten Kompromiss zu erreichen, ist die Ermittlung einer passenden Maschinenbeschleunigung wichtig.

Auf dem Fahrrad vermeidet man beim Bremsen bewusst das Blockieren eines Rades, um die Stabilität nicht zu gefährden. Auf der CNC gilt wieder um Ähnliches: Hinreichend hohe Beschleunigungen erreichen, ohne Schrittverlust, unnötige Schwingungen, Verklemmung / Blockade einer Achse, starke Rucke oder Torsion zu riskieren. Zudem möchten wir Maschinenverschleiß minimieren.

Klingt schwierig? Ist machbar, benötigt aber etwas Mathematik und Gefühl.

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Kurven zeichnen: `vmax = 200mm/s`, `a=400mm/s^2`

Das Video oben illustriert den Sachverhalt: Bei Kanten und engen Kurven bremst die Maschine merklich ab um den Richtungswechsel hinzubekommen.

Motivation

Warum möchte ich, dass Zerspanobert hohe Beschleunigungswerte unterstützt? Ein paar meiner Antworten: Meine Projekte haben oft eine Menge kurzer Liniensegmente und 2.5D-Arbeiten. Die Formen sind komplex und die G-Code Dateien zumeist recht lang. Daher verwende ich auch den Look-Ahead Feed G64 mit 0.1mm erlaubter Abweichung vom Pfad.

Außerdem möchte ich möglichst lange mit konstanter Geschwindigkeit durch das Material fahren. So vermeide ich Stellen, an denen das Material heißer wird als nötig. Nicht zuletzt will ich natürlich nicht unnötig viel Zeit an der Maschine verbringen - Die Maschine arbeitet mit höheren Beschleunigungswerten einfach deutlich schneller; dies wirkt sich bei meinen Projekten sogar stärker aus als ein noch flinkerer Eilgang.

Bestimmung der maximalen Achsbeschleunigung

Dann ermitteln wir mal den maximal möglichen Wert für die Maschinenbeschleunigung.

Newtons zweites Gesetz (axiale Bewegung): $F_{ax} = m_pa$
Drehmoment an der Achse: $M_a = \frac{a J}{P}$
Trägheitsmoment der Achse (Zylinder): $J = m \frac{a}{2}r^2$
Benötigtes Motormoment für die Linearbewegung: $M_d =\frac{F_{ax} P}{2 \pi \eta} + M_a$

Wenn ich diese Formeln kombiniere, erhalte ich für die Beschleunigung:

$$a = \frac{M_d}{\frac{m_p P}{2 \pi \eta} + \frac{J}{P}}$$

In Worten: Die höchste Beschleunigung, die die Maschine theoretisch erreichen kann, ist das verfügbare Motormoment $M_d$ geteilt durch die Masse des Portals $m_p$, gewichtet mit spezifischen Parametern der Kugelumlaufspindel wie Gewindespreizung $P$ und Wirkungsgrad des bewegten Systems $\eta$ zuzüglich des Trägheitsmoment $J$ der rotierenden Komponenten, wiederung gewichtet durch die Gewindespreizung.

Konkrete Richtwerte

Setzen wir mal ein paar Werte ein - meine BasicLine 0607:

Parameter	Symbol	Wert	Einheit
Stepper torque @ vmax	Md	0.5	Nm
Portalmasse	mp	40	kg
Spreizung Gewindespindel	P	0.01	m
Radius Gewindespindel	r	0.008	m
Rotierende Masse	ma	4	kg
Wirkungsgrad der Bewegung	n	75	%

Wo ich keine exakten Werte zur Verfügung hatte, habe ich worst-case Annahmen getroffen. Beim Schrittmotor z.B. meine Maximalgeschwindigkeit bei geringster Versorgungsspannung. Auch das Gewicht der rotierenden Masse (Spindel, Kupplung, Rotor und Achse des Motors) habe ich geschätzt sowie den Wirkungsgrad von Kugelumlaufspindel, Lagern und Linearführungen.

Dies ist mein Ergebnis (Trommelwirbel):

$$a = 5.0m/s^2$$

Was dieser Wert bedeutet

Wie lange benötigt die Maschine, um auf Höchstgeschwindigkeit zu beschleunigen? Nehmen wir unser Physikwissen aus der Sekundarstufe: gleichmäßig beschleunigte Bewegung

$$v(t) = at \Rightarrow t = \frac{v_{max}}{a} = 40ms$$

Wie groß ist der Weg, den wir dabei zurücklegen (

$$s_0 = 0, v_0 = 0$$

$$s(t) = \frac{a}{2}t^2 + v_0t + s0 \Rightarrow s(t=40ms) = 4mm$$

Welche Axialkräfte wirken dabei auf das Portal ein?

$$F_{ax} = m_pa = 200N$$

Die von mir hier errechnete Beschleunigung ist mehr als eine Größenordnung über der Empfehlung des Herstellers von 300mm/s^2. Ich habe mich da deutlich verschätzt.

🤔 Ich muss etwas übersehen haben.

Zusammenfassung: Erfahrung zählt!

Die Formeln oben berücksichtigen weder die Steifheit der Maschine noch Ruck, Torsion oder auftretende Schwingungen unter dynamischer Last. Was ein “Ruck” im CNC-Kontext darstellt? Dieses kurze Youtube-Video klärt auf. Meine Steuersoftware jedoch verfügt nicht über eine Ruckbegrenzung.

Obwohl ich viel darüber gelernt habe, wie man sich mit Hilfe der Mathematik eine Einordnung der Parameter ermöglicht, läuft alles wieder auf die Erfahrung hinaus:

Wie schwer und stabil ist die Maschine?
Mit welcher Art von Material arbeite ich: Ist es nachgiebig oder steif?
Habe ich komplexe oder möglicherweise langwierige Fräsaufgaben zu erledigen?
Arbeitet meine CNC in einer Produktionsumgebung, in der die Maschinenzeit wichtig ist?
Wie klingt und fühlt sich die CNC bei hohen Beschleunigungswerten an?

Ich habe einen Wert von 800 mm/s^2 als Beschleunigung für die X- und Y-Achse eingegeben. Das schien ohne Probleme zu funktionieren. Immerhin bleibt er um den Faktor 6 unter der berechneten Fähigkeit des Bewegungssystems.

Ausprobieren

Ich weiß, das war eine lange Lektüre und viel mehr eine fundierte Vermutung als eine strenge Berechnung 😅. Trotzdem sind wir jetzt bereit, die Maschine das erste Mal in Betrieb zu nehmen. Probieren Sie es aus. Gehen Sie danach im manuellen Betrieb auf allen Achsen auf auf den Maschinennullpunkt. Hält sie an, bevor sie den mechanischen Endstopp erreicht?

Verwenden Sie dann den kontinuierlichen Tippbetrieb, um sich dem anderen Ende aller Achsen anzunähern. Bewegen Sie vorsichtig die letzten Millimeter. Sind alle Messungen und Einstellungen korrekt? Wenn ja, versuchen Sie es mit der 100%-Geschwindigkeitstaste (Shift - auf meiner Tastatur). Bewegt sich die CNC schnell und stoppt automatisch am Achsenende ohne Kollision?

Herzlichen Glückwunsch!

Rechner für maximale Kinematikparameter

Dies war ein richtig langer Artikel. Zur Belohnung habe ich ein kleines Excel-Tool vorbereitet: Den CNC kinematics helper. Er basiert auf den oben angegebenen Formeln und erlaubt es, Schätzungen für mögliche Maximalwerte der Parameter zu erstellen. Natürlich kann ich keine Verantwortung für die Ergebnisse übernehmen, die bei der Verwendung dieses Tools herauskommen. Selbiges gilt für Schäden, die unpassende Werte verursachen können.

Update: Grenzwerte korrekt berücksichtigen 03. Apr. 2022

Die obige Berechnung ist zwar mathematisch nicht falsch, aber sie ist irreführend. Sie suggeriert, dass jede Achse mit dieser Geschwindigkeit laufen könnte, was schlicht nicht der Fall ist. Ich habe mir vom Anbieter der Steuerungssoftware für meine Maschine bestätigen lassen, dass die 125kHz die maximale Befehlsfrequenz des Systems sind. Wenn ich versuche, höhere Geschwindigkeiten zu fahren, erhalte ich die Fehlermeldung ‘Velocity was higher than max!’. Deshalb sollte ein so hoher Geschwindigkeitswert nicht verwendet werden, wenn die Maschine mit mehreren Achsen gleichzeitig im Eilgang läuft. Ich habe einen Folgeartikel verfasst und hier zur Information verlinkt. Dort verwende ich Werte, die stabil in jeder Situation funktionieren, auch wenn alle Achsen mit voller Geschwindigkeit gleichzeitig betrieben werden.

Weiterlesen?

Einrichtung der Maschinensoftware

CNC Teil3 - Aufbau

Schallbert — Tue, 01 Mar 2022

"Zerspanobert" CNC assembly↗

Dies ist der dritte Teil meiner Artikelserie über Portalfräsmaschinen. Er konzentriert sich auf den mechanischen/mechatronischen Aufbau meiner Maschine.

Marke: Sorotec, Produkt: Basicline 0607

Meine Portalfräsmaschine wurde als Komplettbausatz geliefert. Nach einer groben Prüfung auf Vollständigkeit konnte ich voller Vorfreude auf die fertige Maschine mit dem Zusammenbau starten.

Eckdaten der Maschine

Stellfläche etwa 1m x 1m x 0.8m
Arbeitsbereich ~ 654mm x 732mm x 134mm
Gewicht ohne Spindel, Elektrosatz, Zubehör: 52kg (laut Hersteller)
Kugelumlauftriebe und Linearführungen auf allen Achsen
Schrittmotoren: 3Nm, 4.2A @48V
Empfohlene maximale Bewegungsgeschwindigkeit: 130mm/s | 7.8m/min, 400mm/s²

Zusammenbau

Der Aufbau der Mechanik und Mechatronik dauerte etwa 16h inkl. Verdrahtung der Schrittmotoren, Stecker und aller Leitungen. Nicht berücksichtigt ist die Maschinensteuerung, worüber ich hier schreibe.

Die nun folgenden Abschnitte beschreiben je eine Phase des Zusammenbaus. Ich verschweige auch nicht die Schwierigkeiten, die ich dabei hatte.

1. Vorbereitung der Lager für die Kugelumlaufspindeln

Die Kugelumlaufspindel (youtube link) ist eine mechanische Vorrichtung, die eine Drehbewegung in lineare Bewegung umwandelt. Dabei wird die mit einem Gewinde versehene Spindel gedreht und dadurch ein auf der Spindel befindlicher Schlitten verfahren. Der Unterschied zur auf demselben Konzept basierenden Trapezgewindespindel ist, dass die Spindelmutter über ein umlaufendes System von Kugeln verfügt, welche Reibung und Spiel zwischen Mutter und Spindel reduzieren. Bei meiner CNC-Maschine werden sie eingesetzt, um die Achsen mit Hilfe eines Schrittmotors zu verfahren.

Die Kugelumlaufspindeln besitzen zwei Lager. Ein Festlager auf der Schrittmotorseite (der schwarze Block auf den Bildern) und ein Loslager, das die andere Seite der Spindel an ihrem Platz hält. Die Montage des Loslagers in seine Halterung stellte sich als schwierig heraus. Ich habe keinerlei Erfahrung im Metallbau, also habe ich statt der klugen Lösung (Kugellager abkühlen, Halterung erwärmen) die einfache gewählt (Hämmern). Ergebnis: das Lager saß schief.

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Falsch eingesetztes Loslager

Glücklicherweise hatte ich eine 20mm Nuss zur Hand die Außendurchmesser des Lagers nahekam. So war ich in der Lage, das Lager erst wieder heraus zu schlagen und dann erneut - sanft und gleichmäßig - in seinem Sitz zu befestigen.

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Verhalten nach Korrektur des Lagersitzes

Ich hoffe mal, dass ich das Lager bei meinen Fehlversuchen nicht zu sehr mit Aluminiumspänen verunreinigt habe.

2. Maschinenrahmen

Der Rahmen meiner Maschine besteht aus Aluminium-Stranggussprofilen, welche mit Winkeln und Nutensteinen miteinander verbunden werden. Massive Aluminiumplatten and Vorder- und Rückseite der Maschine versteifen die Konstruktion zusätzlich. Die Linearführungen werden an der Seite des Rahmens befestigt. Sie halten später das Portal und stellen die Bewegung der X-Achse (Definition des Herstellers) sicher.

Ich habe ziemlich viel Zeit darauf verwenden müssen, den Rahmen ordentlich auszurichten. Als endlich alle Winkel 90° betrugen, konnte ich einen kleinen Luftspalt an der rechten Rahmenwange lassen, sodass die Portalbreite die Rahmenbreite vorgeben kann und ich nichts verspanne. Als ich die Schrauben jedoch anzog, schien der Rahmen sich stets aus dem rechten Winkel zu verabschieden. Als ich das Spiel ein paarmal erfolglos wiederholt hatte, begann ich, die Schrauben in mehreren Stufen gleichmäßig in 3Nm-Schritten anzuziehen.

Auf diese Weise konnte ich endlich meine 24Nm bei guter Rechtwinkligkeit 😅 erreichen

Die Montage der Front- und Rückplatte, Kugelumlaufspindel der Y-Achse sowie des Referenzschalters stellten sich als angenehm schnell und einfach heraus. Das obige Bild zeigt die fertig montierte X-Achse. Linearführungen (ebenfalls mit Kugelumlauf), die später das Portal tragen werden, sind bereits montiert. So sehen diese Dinger von innen aus:

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Linearführungen mit Kugelumlauf

3. Portal

Zuerst werden die Portalwangen an den Linearführungen der Y-Achse befestigt. Dabei vereinfachen Metallstifte, die in bereits vorhandene Bohrungen gesteckt werden, die präzise Positionierung. Anschließend werden die Führungsschienen für die Y-Achse am Querbalken des Portals befestigt und dieser dann an der Portalwange montiert. Winkel an beiden Seiten der Portalwange versteifen die Konstruktion. Um die Montage zu erleichtern verwendete ich zwischenzeitlich Schraubzwingen.

Diese Maschine arbeitet mit einem Schrittmotor für die Y-Achse, dessen Kugelumlaufspindel mittig am Portalunterzug befestigt wird. Dieser ist im Video unten gut zu erkennen. Da die Maschine langsam an Gewicht zulegte, habe ich mir einen kleine Holzkonstruktion gebaut, um die für die Montage schräg auf der Seite liegende Maschine zu sichern.

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Das Portal lässt sich ohne Kugelumlaufspindel leicht von Hand bewegen.

Nun konnte ich die Schrauben am Luftspalt des Rahmens nochmal vorsichtig lösen, das Portal ein paar mal bewegen um mögliche Verspannungen heraus zu bekommen und sie anschließend wieder gleichmäßig anziehen.

Als Nächstes waren die Kugelgewindespindel und Linearführungen der X-Achse zu montieren. Auf diesen wird - wieder mit Positionierstiften versehen - eine Flanschplatte montiert, die später die Z-Achse hält.

Zum Schluss waren noch Referenzschalter und Schrittmotorhalterung anzubringen.

4. Z-Achse

Die Z-Achse wir als eigene Baugruppe unabhängig vom Rest der Maschine montiert. Auch hier kommen wieder Passstifte zum Einsatz für die Flanschplatte. Bei meiner Maschine hält eine einzelne Linearführung die Z-Achse an ihrer Position.

Dies ist für meine Anwendungsbereiche mit kleinen Fräsern und recht geringen Vorschüben sicherlich OK, wird bei herausfordernderen Materialien, schnellen Vorschüben oder der Verwendung großer Fräser durch die viel höheren Schnittkräfte bestimmt schnell ein Problem. Was soll’s, ich mache doch eh nur in Holz und Kunststoffen…

Es ist ja immer schön wenn Dinge einfach funktionieren 🤗 - Herrlich, wie die Teile des Bausatzes satt ineinander greifen!

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Ich liebe das Geräusch, wenn gut passende Bauteile zusammenkommen.

Als die Baugruppe soweit fertig war, konnte ich sie an der Flanschplatte des Portals befestigen. Anschließend habe ich die Z-Achse mit Hilfe eines Winkels und einer Messuhr ausgerichtet, sodass sie über den gesamten Fahrweg mit nur ein paar Hundertstel Abweichung senkrecht auf dem Maschinenrahmen steht. Irgendwann muss man es bei diesem Bausatz aber gut sein lassen, da die Z-Achse mit ordentlichem Druck per Hand am unteren Teil fast 1/10mm gegen die Senkrechte wegbiegen kann. Es ist halt keine superstabile, entsprechend teure Maschine sondern ein Bausatz für den ambitionierten Hobbybereich.

Das Anbringen der seitlichen Versteifungen auf der Z-Achse stellte sich als viel schwieriger heraus als ich dachte. Die T-Nutensteine sind so klein bei der 17mm Schiene und die Schrauben so kurz, dass da kaum Platz blieb um alles an seinen Platz zu bekommen. Ich musste die Nutensteine mehrfach neu positionieren, um die Konstruktion dann einfädeln zu können. Als das endlich klappte, konnte ich den Referenzschalter montieren.

5. Mechatronik

Nun geht es an die vorher vorbereiteten Schrittmotoren . Dafür werden die Mitnehmer der Klauenkopplungen mit Vaseline eingerieben, sodass sie später keine lauten Knarzgeräusche von sich geben. Dann wird die eine Seite der Kupplung an der Kugelumlaufspindel und die andere am Schrittmotor befestigt. Zum Schluss dann montiert man die Motoren und zieht die Schrauben erst richtig fest, wenn Ausrichtung geprüft und ein leichter Lauf sichergestellt werden kann.

Auf der X-Achse hatte ich ziemliche Schwierigkeiten, die Madenschraube auf der Motorseite festzuziehen. Daher würde ich es anders als in der Anleitung angegeben direkt wie oben beschrieben mit auseinandergenommener Klauenkupplung montieren und die Motoren erst ganz zum Schluss einpassen.

Da die Motorzuleitung nicht besonders lang ist, gibt es in Nähe der Motoren kleine Klemmenkästen. Dort werden Motorzuleitung und Signaldrähte für die Referenzschalter aufgelegt. Die andere Seite der Klemmen verbindet eine schleppkettentaugliche Leitung später mit der Steuerung. Zum Schluss wird noch ein Schutzleiter zu jedem Motor gelegt.

Als das für alle drei Achsen erledigt war, machte ich mich an die Schleppketten. Hier ist es vorteilhaft, die Montagerichtung bewusst zu wählen - die Schleppketten lassen sich z.B. zur nachträglichen Verlegung einer zusätzlichen Leitung nämlich nur in eine Richtung öffnen. Wenn deren Mechanismus dann von der Maschine verdeckt wird, kann das zu einem unmöglichen Unterfangen werden.

Es ist ebenfalls empfehlenswert, die Steuerleitungen länger als berechnet zu lassen und sie erst in einem letzten Schritt zu kürzen, nämlich bevor sie an der Steuerung montiert werden. Die Zuleitung zur Z-Achse kann beispielsweise nach Führen durch alle Schleppketten gern mal in Richtung 5m Länge gehen.

6. Abschmieren

Bonusschritt: Der Wartungsanleitung zum Abschmieren aller Linearführungen und Kugelumlaufspindeln folgen. Herrlich, wenn man nochmal unter die Maschine muss…

Erwähnte ich bereits, dass ich kein Metallfritze bin? Diese Fettpressen sind echt frustrierend. Am Anfang bekam ich so gar nichts aus ihr raus und dann muss ich eine Luftblase im System gehabt haben, sodass ich nicht mehr wusste, wohin mit dem ganzen überschüssigen Schmierstoff. Immerhin habe ich jetzt einen gut gefetteten Arbeitstisch.

Und wann ist es eigentlich genug? Reicht “zwei mal drücken”, um eine Linearführung ausreichend zu schmieren? Kommt das Fett überhaupt in die Schmiernippel? Na ja, sobald es aus der Dichtung der Führungen herausquillt wird es wohl reichen 😜

7. Fehlende Teile

Wie oben beschrieben waren alle wichtigen teile der Maschine korrekt und entsprechend der Packliste geliefert worden. Allerdings fehlten ein paar KLeinigkeiten für meine Maschinenkonfiguration:

18x 18mm M5 Maschinenschrauben mit Innensechskant (Linearführungen X-Achse)
6x 0.75mm Kabelschuhe (Schutzerde für die Schrittmotoren)
4x 22mm M4 Maschinenschrauben mit Innensechskant (Montage Schrittmotoren)

Aber ich hatte auch ein paar Teile zu viel

1m extra Schleppkette
4 M5 Unterlegscheiben
9 M4x10 Senkkopfschrauben mit Innensechskant
2 Versteifungen z-Achse “standard”

Mein Vorschlag wäre, nochmal 100 Kabelbinder auf den Bausatz draufzuschlagen, sodass man alle Leitungen schön und ordentlich führen kann.

8. Kritik

Die Bauanleitung (Version 2.1.5) gefällt mir sehr gut. Sie enthält eine Teileübersicht und jeder Schritt ist sehr detailliert erklärt. Auch der Bauprozess ist gut durchdacht und ich als nicht-professioneller Mechaniker hatte keine größeren Probleme, die Maschine korrekt zusammenzubauen.

Die bearbeiteten Teile haben eine hohe Qualität und sind frei von Graten oder scharfen Ecken. Alle notwendigen Gewinde wurden im Voraus geschnitten - sogar die für den optionalen Mechatronik-Bausatz, so dass ich keine Werkzeuge kaufen oder mir Wissen darüber aneignen musste, wie und wo ich sie montieren muss.

Was mir nicht gefiel, war, dass einige Befestigungselemente fehlten, was die Fertigstellung um ein Wochenende verzögerte, und dass die erwartete Anzahl der Befestigungselemente nicht in der Anleitung abgedruckt war, so dass ich erst merkte, dass Teile fehlten, als es bereits zu spät war. Mir ist klar, dass diese Maschine in verschiedenen Größen und Konfigurationen bestellt werden kann, so dass es vielleicht zu viel verlangt ist, eine Bauanleitung für jede einzelne Kombination zu erwarten.

Einige der größeren Aluminiumteile kamen mit Kratzern an, da die Palette während des Transports irgendwie gebrochen und durch die Verpackung gerissen sein muss. Für mich zeigt das, dass entweder das Logistikunternehmen oder der Hersteller die Maschine nicht 100%ig sicher verpackt oder vielleicht das Gewicht unterschätzt hat.

Ein letzter Punkt zu diesen Schmiernippeln (bin immer noch kein Metallbauer): Der für die Y-Achse kann nicht mehr gedreht werden, wenn die Mutter der Kugelumlaufspindel am unteren Portalträger montiert ist, weil das Spiel fehlt. Das ist unglücklich, wenn die Schmierung plötzlich in einem anderen Winkel als vorgesehen erfolgen muss. Außerdem bin ich mir ziemlich sicher, dass der untere Schmiernippel der Z-Achse im Handbuch in die falsche Richtung zeigt.

Ich habe mein Bestes gegeben, um Dinge zu finden, über die ich meckern kann. Ich habe es aber nicht geschafft, mehr als die oben genannten Kleinigkeiten zu finden. Keiner meiner Kritikpunkte schränkt die Funktionalität der Maschine ein, und keiner von ihnen kostete eine beträchtliche Menge an Zeit oder Geld, um ihn zu beheben.

Bisher sieht alles so aus als hätte ich ein robustes Gerät gekauft, das mir helfen wird, meine Prototyping-Holzarbeiten präziser und schneller als je zuvor zu erledigen.

Darf ich vorstellen: Zerspanobert!

9. Dann nehmen wir sie mal in Betrieb

Weiterlesen? Gern! Einrichtung der Maschine

CNC Teil2 - Elektrik

Schallbert — Fri, 18 Feb 2022

Elektrik der Portalfräse

Dies ist der zweite Teil aus der Reihe Portalfräsmaschine. Hier geht es um Elektrik und Elektronik der Maschine.

AC / Netzkomponenten

Im Schaltkasten befinden sich Sicherungen für die gesamte Maschinensteuerung und ein zentraler Netzschalter. In meinem Fall enthält er auch netzgekoppelte Relais zur Steuerung von Verbrauchern wie Spindeln, Kühlung und Staubabsaugung. Für diese Stromkreise sind zusätzlich abgesicherte Strompfade und Steckdosen vorhanden.

Außerdem verfügt er über ein Netzteil für die Kleinspannungs-Gleichstromschiene. Die Ausgangsleistung ist vorrangig angepasst an die Anforderungen der Schrittmotore. Es versorgt zudem die Steuer-/Breakout-Platine und weitere Spannungswandler, die dann die CNC-Steuerplatine sowie Lüfter und andere Kleinverbraucher mit Energie versorgen.

Zudem gibt es ein Signalrelais, um einen eventuell vorhandenen Frequenzumrichter zum Betrieb von Hochfrequenzspindeln mit der Steuerung zu koppeln.

Frequenzumrichter

Ein FU ist allgemein bekannt als ein Gerät, das die Drehzahl einer 3-Phasen-Wechselstrommaschine steuert. Er wird mit 1- oder 3-phasigem Wechselstrom versorgt und puffert die Energie in einem Gleichstrom-Zwischenkreis, von wo aus sie dann an eine 3-phasige H-Brücke weitergeleitet wird, die daraus Drehstrom mit variabler Frequenz erzeugt.

Diese dreiphasige Wechselspannung wird von Transistoren im Schaltbetrieb erzeugt, was die Umwandlungsverluste im Vergleich zum linearen Betrieb enorm verringert. Die Ausgangsspannung ist allerdings zeitlich und betragsmäßig quantifiziert (“digital”), was zu unerwünschten elektromagnetischen Störaussendungen sowohl am Netzein- als auch am Ausgang des FU führt.

Fast alle professionellen CNC-Spindeln sind 3-Phasen-AC-Asynchronmaschinen, die an einen Frequenzumrichter angeschlossen sind.

FUs haben oft einen standardisierten 0...10V Analogeingang zur Steuerung der Maschinendrehzahl. Sie besitzen zudem mehrere digitale (manchmal sogar potentialfreie) Ein- und Ausgänge, die z.B. von einem Melderelais der Schnittstellenkarte der numerischen Steuerung gespeist werden, und einen Nothalt- oder Fehlersignalausgang zur CNC-Schnittstelle. Sie können auch mit moderneren digitalen Bussystemen und analogen Ausgängen ausgestattet sein, was in meinem Einsatzbereich jedoch wegen der höheren Systemkosten selten genutzt wird.

Im Moment (Feb-2022) besitze ich keinen FU. Daher kenne ich keine Details zur Einstellung, Parametrierung und Anpassung an eine bestimmte Spindel, über die ich schreiben könnte.

PELV / DC-Komponenten

Die typischen “kleinen” CNC-Schrittmotoren werden im PELV-Bereich (Protected Extra Low Voltage) mit Gleichstrom (DC) und unter 60V betrieben, so dass kein zusätzlicher Berührungsschutz erforderlich ist. Das “P” in PELV steht für “protected”, was bedeutet, dass die Geräte mit Erdungsleitungen verbunden sind. Auf diese Weise werden die Schaltkreise bei einem Kurzschluss gegen Erde durch auslösende Sicherungen abgeschaltet. Ein weiterer Vorteil der Erdung aller Komponenten ist die bessere Ableitung von Störeinflüssen, welche sonst die empfindliche Elektronik der CNC beeinträchtigen könnte.

Die Schrittmotortreiber, jeweils einer pro Achse, sind ebenfalls in der Box untergebracht. Sie sind in der Regel SELV (Safety Extra Low Voltage), so dass sie keine zusätzliche Erdung benötigen.

Dann gibt es noch eine Signalplatine, eine Breakout-Platine oder eine Relaisplatine, die Schrittmotorsignalzüge an die Treiber weiterleitet, Hilfsrelais steuert, Referenzschalter- und Notstopp-Eingänge ausliest und Signale für Spindel, Kühlschmierstoffzufuhr, Absaugung und/oder weitere Hilfssteuerungen ausgibt.

Ein Lüfter hält die Temperatur im Schaltkasten niedrig. Oft ist auch eine Schnittstellenkarte montiert, die direkt über die CNC-Software gesteuert wird, z. B. über USB oder Ethernet. Sie übersetzt und leitet Informationen an die einzelnen Komponenten der CNC und zurück an das Programm auf dem Computer, z. B. für Referenzschalter oder Not-Aus.

Schrittmotortreiber im Detail

Die Schnittstelle des Schrittmotortreibers ist recht einfach. Sie nimmt TTL-Pegel von 0V (low) und 5V (high) an und wird durch nur drei Eingänge definiert:

Signalname	Beschreibung
Enable (EN)	Schaltet die Stromversorgung der Antriebe ein. Ermöglicht z.B. aktives Halten der Position
Drehrichtung (DIR)	Auswahl der Motordrehrichtung
Pulse (PUL)	Lässt den Motor einen (Mikro-)Schritt drehen

Interessanterweise werden dieselben drei Eingangssignale benötigt, um den Lesekopf eines Diskettenlaufwerks zu steuern. Ich habe dies in einem meiner früheren Projekte ausprobiert, einer Floppy-Bass-Orgel, das auf dem Softwareprojekt moppy basiert.

Intern interpretiert der Treiber die Eingangssignale und gibt Impulse aus, die für den Antrieb des Schrittmotors geeignet sind. Zwei H-Brücken-Kanäle - Schaltungen mit je vier Schalttransistoren zur Steuerung von Richtung und Höhe der Spannung an den Motorspulen - mit den Bezeichnungen “A” und “B” liefern Energie für die Polpaare des Schrittmotors.

Ausführlichere Informationen über Schrittmotorantriebe, Mikroschrittbetrieb und andere Aspekte finden Sie z. B. hier oder auf diesem Blog.

Schrittmotoren

Schrittmotoren sind - wie 3-Phasen-Wechselstrom- oder bürstenlose Gleichstrommotoren - elektronisch kommutiert. Daher müssen dem Motor Strompulse zugeführt werden, damit er sich kontinuierlich dreht. Die meisten Schrittmotoren sind heutzutage Hybridmotoren. Diese weisen einen mehrzahnigen Rotor auf, der in zwei Hälften geteilt ist welche um einen halben Zahn zueinander versetzt sind und jeweils von einer Spule gesteuert werden. Diese Art von Motor hat mindestens vier Anschlüsse, zwei für Spule “A” und zwei für Spule “B”. Bipolare Hybridmotoren haben sogar acht Leitungen, die die Spulen wiederum in zwei Teile aufteilen - auf diese Weise können sie in Reihe, parallel und auch unipolar geschaltet werden, so dass jede der vier Spulen einzeln gesteuert werden kann.

Schrittmotoren werden meist in “bipolarer Parallelschaltung” an CNC-Schrittmotortreiber angeschlossen. Dabei werden die beiden Spulen eines Polpaares mit gleicher Ausrichtung parallel geschaltet. Die beiden Drähte dieser Parallelschaltung werden dann mit den Ausgängen A+ und A- des Treibers verbunden. Diese Verdrahtung wird für Kanal B wiederholt. Ich habe die zusammengehörenden Aderpaare mit einer Bohrmaschine verdrillt weil ich zu faul war, das von Hand zu machen. Verdrillen der spulengleichen Aderpaare A/B macht Sinn, weil die mit Pulszügen angesteuerten Motoren erhebliche elektromagnetische Störungen erzeugen können. Durch das Verdrillen gleichen sich magnetische Felder von Hin- und Rückleitung aus.

Anders als bei Drehstrom- oder bürstenlosen Gleichstrommaschinen liegt die Priorität bei der Konstruktion von Schrittmotoren nicht auf einer möglichst hohen Energieeffizienz, geringen Geräuschemissionen, hohen Drehzahlen oder einem guten Wärmemanagement für den Dauerlauf, sondern auf hohem Drehmoment, großen Haltekräften zum Sichern einer Position und einem flüssigen Betrieb bei niedrigen Drehzahlen. Schrittmotoren sind für hohe Beschleunigungen gebaut und sollen stets der Impulsgeschwindigkeit folgen, da die Positionierung der Maschine davon abhängt.

Schrittmotoren eignen sich wie Servomotoren auch zum Positionierbetrieb. Hierbei werden sie nicht über die Wellenposition geregelt, sondern die Position wird durch Zählen der Pulse in die jeweilige Richtung “geschätzt”. Solange kein Schrittverlust (durch Überlast oder zu hoch eingestellte Beschleunigungswerte) auftritt, ist diese Art der Positionssteuerung sowohl kostengünstig als auch hinreichend genau. Daher wird sie häufig verwendet.

Da die Positionsinformation bei Neustart der Maschine (meist) verloren geht, verfügen CNC-Maschinen mit Schrittmotoren über Referenzschalter an jeder Achse, die bei Inbetriebnahme angefahren werden und die Positionsinformation im Koordinatensystem der Maschine mit der der Schrittmotore verknüpft.

Der Aufbau

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Schaltkastenbau in neun Sekunden

Der Bau des von mir gekauften Bausatzes für den Schaltkasten und die Verdrahtung nahm nur etwa 8 Stunden in Anspruch. Es erwies sich als entscheidend, alle Schaltpläne und Schritt-für-Schritt-Anleitungen im Voraus gründlich zu studieren. So konnte ich Fehler vermeiden, deren Behebung sonst Abende gekostet hätte.

An dem Bausatz gefällt mir, dass die Komponenten elektrisch aufeinander abgestimmt sind und alle notwendigen Leitungen, Buchsen (bis auf eine Ethernet-Buchse) und die Dokumentationen vollständig waren. Ich habe nur Kabelkanäle und einige Kabelschuhe vermisst, um das Kabelmanagement und die Verbindungen zum Gehäuse zu vereinfachen. Das Gehäuse ist sehr robust und alle Steckdosen passen gut an ihren Platz.

Am Frickeligsten beim Aufbau waren die Lötstellen der Schrittmotor/D-Sub-Stecker und deren Isolierung. Ebenso stellte es sich als schwierig heraus, die Steuerplatine im Gehäuse montiert zu bekommen.

Ich war wirklich aufgeregt, als ich die Steuerung zum ersten Mal einschaltete. Das Geräusch des anlaufenden Lüfters und das Blinken aller möglichen LEDs waren einen Seufzer der Erleichterung wert.

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Erster Test: Quittieren des Not-Aus Schaltkreises

Sicherheitshinweise

Nein, ein geöffnetes netzbetriebenes Gerät sollte nicht eingeschaltet werden, wenn man nicht weiß, was man tut. Ja, ich habe in einen Fehlerstromschutzschalter installiert, um mich vor gefährlichen Spannungen zu schützen, und ja, ich habe alle Sicherungen doppelt überprüft, eine gründliche Sichtprüfung durchgeführt und Durchgangsmessungen an jedem einzelnen Anschluss vorgenommen, um Fehlverdrahtungen auszuschließen. Glücklicherweise bestand die Steuerung den ersten Funktionstest. Der Zustand des Notsignals wurde korrekt interpretiert und die LED der CNC-Platine blinkte mit der erwarteten 1Hz-Rate.

Aufbau einer “Mini Control / Serie C1”

Für die Maker Faire Ruhr 2024, bei der ich einer der Aussteller war, habe ich eine weitere Steuerung aufgebaut: Die einfachere “Mini Control / Serie C1”. Ein Zeitraffervideo davon habe ich hier eingebettet:

CNC electronics assembly↗

Vorteile:

Schnelle Montage
Kein Löten
Viele Snap-In-Teile
Kleines Gehäuse

Nachteile:

Verbindung zur Maschine erfolgt über Schraubklemmen; Trennung zur Maschine nicht vorgesehen
Lauter Lüfter, auch im Leerlauf aktiv (kann aber mit „Schallberts Fanhack“ gelöst werden)
Mehrere externe Netzteile (Schrittmotorversorgung, 24V-Versorgung, Spindel-Schaltbox)

Mit der zugehörigen kleinen CNC-Fräse habe ich viel gemacht: Tuning auf kürzere Fertigungszeiten, eine Spezialisierung für Gravuren und diverse Projekte wie Stempel, Dithering-Bilder und mehrfarbige Carves.

CNC Teil1 - Portalfräsmaschine

Schallbert — Sat, 12 Feb 2022

CNC Portalfräsmaschine - für Anfänger

Es ist Winter 2021, und meine erste CNC-Maschine wird bald geliefert. Es wird ein Bausatz sein, der aus einer Menge Pakete und noch mehr Einzelteilen besteht. Ich habe die Maschine bestellt, weil ich Prototypen für AnywhereAmps schneller und genauer fertigen möchte. Und natürlich um ein paar weitere Hardware-Projekte umzusetzen, die mir schon länger im Kopf herumschwirren.

Moment mal

Oh, Ok. CNC bedeutet computer numerical control und beschreibt, wie die Maschine gesteuert wird - nicht von Hand, sondern durch Instruktionen eines Computers.

Diese werden G-Code genannt, und sind in der häufig benutzten Interpretersprache RS274-NGC geschrieben, die Industriestandard für computergesteuerte Bearbeitungszentren geworden ist.

Eine Portalfräsmaschine ist einer Oberfräse nicht unähnlich. Der Fräsmotor ist auf einem Gestell montiert, das ihn in (meist) drei Achsen X, Y, Z mithilfe von Schrittmotoren oder Servomotoren bewegt. Ein Rechner steuert diese Bewegungen und ist so in der Lage, nahezu beliebige Formen zu schneiden. Die Kinematik der Portalfräsmaschine ist ähnlich zu der von 3D-Druckern, obwohl sie natürlich ganz unterschiedliche Anforderungen an die Mechanik haben - eine Portalfräsmaschine muss viel stabiler, steifer und schwerer konstruiert werden, da die Rahmenkonstruktion sämtliche Schneid- und Beschleunigungskräfte aufnehmen muss.

Natürlich sind CNC-Maschinen nicht auf 3D-Drucker und Fräsmaschinen beschränkt. Es gibt CNC-Drehmaschinen, Plotter, Laserschneider, Wasserstrahlschneider und viele mehr. Streng genommen sind sogar Industrieroboter CNC-Maschinen.

Fragen

Dies sind einige der Fragen, die ich hatte, bevor ich dieses ziemlich teure Stück Technik gekauft habe. Einige davon lassen sich leicht in ein paar Zeilen beantworten, andere würden wahrscheinlich einen ganzen Artikel für sich allein füllen.

CNC-Fräsmaschine

Beschleunigt sie wirklich meinen Prototyping-Prozess?

Ich weiß es noch nicht, aber ich hoffe es. Die Holzarbeiten für einen einzigen Prototyp nehmen etwa 8 Stunden meiner Zeit in Anspruch. Am meisten Zeit verschlingen die Vorbereitungen für den Zuschnitt, die Messungen und das Abpausen. Allein der Lautsprecheradapter von AnywhereAmps Alpha mit seiner gewölbten Oberfläche nimmt mehr als eine Stunde Fertigungszeit in Anspruch.

Mit einer CNC-Portalfräsmaschine hoffe ich, mehr wie ein Plätzchenbäcker zu werden: Alle Teile für AnywhereAmps (mit Ausnahme des zylindrischen Gehäuses) in einem einzigen Stück Sperrholz zu verschachteln, die Maschine die Arbeit machen zu lassen und nach einer Weile nur noch minimale Nacharbeiten beim Ausschneiden und Schleifen der Teile zu erledigen.

Und wenn ich einen weiteren Prototyp oder andere Lautsprecherdurchmesser haben möchte: Ich passe einige Parameter in meinem CAD-Tool an, stelle die Werkzeugwege neu ein, schicke sie an den Computer der Maschine, spanne ein neues Stück Sperrholz ein und drücke auf “Auftrag ausführen”. Fertig (in der idealen Welt).

Andererseits braucht das Einarbeiten in die ganzen Software-Tools auch seine Zeit. Mein Einführungsartikel über FreeCAD hier verlinkt ist ein Beispiel dafür.

Mehr Geld für Portalhardware oder lieber für den Spindelantrieb ausgeben?

Das ist eine Frage an die Experten, die ich selbst erst beantworten kann, wenn ich schon eine Weile eine CNC besitze. Ich habe mich dafür entschieden, mehr Geld für das Portal und weniger für die Spindel auszugeben, und zwar aus mehreren Gründen, die sich aus dem Bauch heraus ergeben:

Das Portal ist meine Maschine, die Spindel nur ein Teil davon.
Die Spindel ist günstiger, leichter auszutauschen und bei weitem nicht so aufwendig zu montieren wie das Portal, also möchte ich, dass das Portal eine Konstante ist.
Wenn ich durch die Fähigkeiten meiner Portalfräsmaschine eingeschränkt bin, müsste ich zuerst herausfinden, warum, und dann an einzelnen Komponenten herumschrauben, um sie zu verbessern. Wenn die Spindel der limitierende Faktor ist, kaufe ich mir einfach eine stärkere und gut ist.

Wie viel Spindelleistung?

Das ist meine erste schwierige Frage. Ich bin mir fast sicher, dass ich für meine Holzbearbeitung kein 2,2-kW-Monster brauche. Um anständige Vorschubgeschwindigkeiten zu erzielen und genügend Spielraum für Dichteunregelmäßigkeiten wie Astlöcher zu haben, könnte es eine gute Idee sein, sich im Leistungssegment der Handoberfräse zwischen 700W und 1200W zu orientieren, was mir immer gute Dienste geleistet hat. Ich habe mich für eine 1000W Universalmotor Maschine entschieden.

Im Gegensatz zu den oft als “HF-Spindeln” (HF = Hochfrequenz) bezeichneten Drehstrommotoren benötigen sie keinen Frequenzumrichter und keine externe Kühlung, da ihr Lüfter auf die Welle geschraubt ist. Andererseits sind sie in der Regel lauter (der Lüfter ist nicht unabhängig von der Motordrehzahl) und weniger effizient (Lüfterverluste, Kommutierungsverluste, Kupferverluste, Magnetisierungsverluste usw.) Ich habe im Internet nur grobe Zahlen zum Wirkungsgrad gefunden, also nehmen wir mal an:

1000W Universalmotorantrieb *30% Gesamtwirkungsgrad inkl. Elektronik & Lüfter: 300W @ Motorwelle

700W Asynchronmaschine *85% Wirkungsgrad *90% Wirkungsgrad Steuerung *97% external cooling: 520W @ motor shaft

Das wäre ein gewaltiger Unterschied, so dass sich eine spätere Aufrüstung doch lohnen könnte. Außerdem reichen für eine HF-Spindel im Vergleich zu einem konventionellen Antrieb geringere Wattzahlen aus.

Automatischer Werkzeugwechsler - ja oder nein?

Das hängt wohl davon ab, was ich brauche. Ich kaufe mir zunächst einen einfachen Fräsmotor mit digitaler Drehzahlregelung als Spindel. Ein “richtiger” Werkzeugwechsler - richtig bedeutet, dass ich auch Werkzeugschäfte von 10mm und größer montieren kann und gewuchtete Spannzangen, 3-Phasen-Antrieb mit eigenständiger Kühlung und Frequenzumrichter habe - würde ~10 mal so viel kosten. Außerdem kostet jedes ER20-Spannzangenfutter für den Werkzeugwechsler mal eben die Hälfte meines Fräsmotors. Davon bräuchte ich mehr als eine, wenn der Werkzeugwechsler Sinn machen soll. Und ich bräuchte eine Druckluftanlage mit Schaltkasten usw. Das alles zusammen würde die Kosten für die Portalfräse locker überschreiten!

Schlussfolgerung: Wenn ich die CNC in Zukunft sehr oft benutzen werde und wenn meine Projekte unbedingt häufige Werkzeugwechsel zum Schruppen, Glätten, Fasen, 3D usw. erfordern, dann könnte ich diesen teuren Schritt in Betracht ziehen. Vielleicht. Irgendwann.

Welche Größe ist die beste?

Idealerweise könnte man für die Bearbeitung von Sperrholzplatten eine ganze Standardplatte von “1250mm x 2500mm” oder einen Bruchteil davon, z.B. “610mm x 1250mm”, auflegen. Aber selbst die kleineren Platten würden nicht in den Keller meiner kleinen Wohnung passen. Also entschied ich mich für eine mit 840mm x 740mm Auflagefläche.

Für Ihre Wahl: Prüfen Sie, ob Sie platzmäßig eingeschränkt sind. Wenn nicht, dann machen Sie sich gründlich Gedanken darüber, was Sie mit Ihrer Maschine machen wollen. Die Größe der Maschine ergibt sich automatisch, wenn Sie wissen, wofür Sie sie hauptsächlich einsetzen wollen.

Plug-and-play oder ein Bausatz?

Dies hängt von mehreren Aspekten ab: Von Budget, der Zeit, die man zu investieren bereit ist, und natürlich davon, ob man zumindest ein bisschen Talent im Umgang mit Schraubendrehern, Muttern, Abisolierzangen und dem Lötkolben hat. Es kommt auch darauf an, ob einem jede Schraube Ihrer Maschine persönlich bekannt sein soll.

Kugelumlaufspindeln zum Bewegen der Achsen?

Flinke Eilgänge, hohe Wiederholgenauigkeit durch reduziertes oder eliminiertes Spiel oder höhere Vorschubgeschwindigkeiten? Fräsen im Gleichlauf, um die Oberflächenqualität und die Standzeit der Werkzeuge zu erhöhen? Wenn Sie einen dieser Punkte bejahen, sollten Sie das zusätzliche Geld für Kugelumlaufspindeln ausgeben.

zusätzliche Vielseitigkeit?

Wie im Abschnitt Moment mal beschrieben, wäre das Portal selbst auch für andere Zwecke geeignet. Es gibt Schleppmesser zum Plotten, 3D-Druckköpfe und sogar Gravurlaser, die bei Bedarf an das Portal angeflanscht werden könnten.

Um sich darauf vorzubereiten, ist eine Spindel, die auf den Euronorm-Hals mit einem Durchmesser von 43 mm passt möglicherweise die beste Wahl, da die meisten anderen Werkzeuge auch für diese Passform erhältlich sind. Dies erleichtert einen eventuellen Umbau. Wobei andererseits die meisten Maschinen, die etwas taugen, spezialisiert sind auf ihr Fach - ein 3D-Drucker schafft wahnwitzige Beschleunigungsvorgänge, der Plotter spart beim Platzverbrauch und die CNC-Fräse ist nunmal wegen der Schneidkräfte stabiler gebaut.

Allgemeine Fragen

Entsteht dabei viel Staub?

Ja. Besorgen Sie sich eine gute Staubabsaugung. Ich würde ein Zyklonsystem oder einen dieser riesigen Textilbeutel empfehlen, die normalerweise bei stationären Sägen verwendet werden. Wenn Sie Ihre Maschine regelmäßig benutzen, reicht die Aufnahmekapazität eines Werkstattsaugers allein möglicherweise nicht aus.

Außerdem sollten Sie den Staubsauger gut erden (z. B. indem Sie die Erdungsleitung(en) mit dem Erdungspunkt Ihres Schaltkastens verbinden) und antistatische Saugschläuche kaufen, die Sie an die Erdung des Staubsaugers oder des Staubbehälters anschließen können. Auf diese Weise vermeiden Sie, dass Sie jedes Mal, wenn Sie vakuumbezogene Dinge berühren, einen leichten Schlag bekommen, und Sie können einen schwer auszumachenden Grund dafür ausschließen, dass Ihre Maschine verrückt spielt, z. B. plötzliches Einfrieren der Software, zufälliges Erkennen von Not-Aus-Ereignissen durch die Steuerung, Falschauslösung eines Referenzschalters oder sogar Schluckauf bei Schrittmotoren. Es gibt viele Fälle in verschiedenen Foren, in denen dies die Ursache war oder gewesen sein könnte, z. B. hier.

Ist sie laut?

Ja. Der Geräuschpegel ist vergleichbar mit dem einer Handoberfräse. Sie ist schon im Leerlauf laut, und es wird noch schlimmer, wenn sie durch Material fährt. Es könnte also eine gute Idee sein die leiseren, aber teureren Hochfrequenzspindeln mit externer Kühlung zu kaufen. Darüber hinaus sollte (und je nach den örtlichen Vorschriften sogar muss) Ihre Maschine aus Sicherheitsgründen, aber auch zur Lärmminderung, eine Einhausung erhalten. Sie hilft auch dabei, Feinstaub in der Raumluft zu reduzieren.

Die Geräuschentwicklung hängt aber auch stark vom verwendeten Fräser ab. Meiner Erfahrung nach klingen kurze Planfräser mit großem Durchmesser und 10-mm-Schaft angenehmer und sind vielleicht sogar weniger laut als Fräser mit Fischschwanz oder besonders langem Schaft.

Wie sieht der Arbeitsablauf aus?

Hier ist eine vereinfachte Darstellung des Arbeitsablaufs mit einer CNC-Maschine.

Ähnlich wie beim Handwerk beginnt alles mit einer Idee. Die Zeichnungen und Bemaßungen der Teile werden nicht auf einem leeren Blatt Papier, sondern in einem Computer Aided Design-Tool erstellt. Die Zeichnung oder 3D-Modelldatei wird dann in einem Computer Aided Manufacturing Tool weiterverarbeitet, wo geeignete Fräswerkzeuge ausgewählt, die Frässtrategien festgelegt und die Werkzeugwege erzeugt werden. Die resultierende G-Code-Datei wird dann an die eigentliche CNC Software gesendet, die die Schrittmotortreiber steuert. Diese senden Stromimpulse an die Schrittmotoren, die wiederum die Maschine mechanisch verfahren, um das Teil zu fertigen.

Fragen zum Betrieb

Fräsen im Gleich- oder Gegenlauf?

Dies ist eine Entscheidung, die in der CAM-Software getroffen wird.

Fräsen im Gegenlauf = der Fräser “schnitzt” in das Material, seine Schneiden drehen sich entgegen der Materialtransportrichtung. Der Gegenlauf wird bei allen Kreissägen verwendet die ich kenne, um Rückschläge zu vermeiden oder das Werkstück auf dem Tisch zu halten. Gleichlauffräsen = der Fräser “frisst” sich in das Material, seine Schneiden rotieren mit der Transportrichtung. Der Fräser neigt dazu, sich selbst in das Material zu ziehen. Weitere Informationen z.B. auf harveryperformance oder tormachs blog.

Für welche der beiden Möglichkeiten Sie sich entscheiden sollten, hängt von der Steifigkeit und dem Gewicht Ihrer Maschine, den Drehmoment Ihres Schrittmotors, der Leistung Ihrer Schrittmotorantriebe und dem Material ab, das Sie bearbeiten. Wenn Sie eine steife, schwere, leistungsstarke Maschine (mit Kugelumlaufspindeln) haben und mit eher weichen Materialien arbeiten, sollten Sie das Gleichlauffräsen verwenden. Beobachten Sie Ihre Maschine genau, um zu sehen, ob sich alles glatt anfühlt und anhört (!). Im Zweifelsfall sollten Sie im Gegenlauf fräsen. Arbeiten Sie bei handgeführten Oberfräsen immer den Gegenlauf!

Nachtrag: Ich fräse Dibond im Gegenlauf mit guten Ergebnissen, Acrylglas und Holz jedoch bearbeite ich im Gleichlauf.

Wie spannt man das Werkstück schnell und einfach auf?

Das hängt wiederum von Ihrem Material ab:

Große Platten: Vakuumtisch oder Anschlag mit Klemmen, die die Platte gegen den Anschlag drücken
Kleine Platten: Klemmen oder Verschraubung auf dem Fräsbett
Kleine Blöcke: Schraubstock
Unregelmäßige Formen: Klemmen, die das Material auf dem Fräsbett niederhalten
Beidseitiges Fräsen: projektspezifische Vorrichtungen, die das Material in Position halten

Hmm, die Opferplatte mit Anschlag wird wahrscheinlich eins meiner ersten Projekte mit der neuen Maschine.

Mit welchen Bits / Fräsern sollte man beginnen?

Ich würde für den Anfang die folgenden allgemeinen Fräser empfehlen. Sie sollten natürlich in Herstellung, Spiralform, Nutenzahl usw. zum verwendeten Material passen.

Klassischer Schaftfräser mit 6mm oder 1/4", Spirale mit 15-30°
2mm Schaftfräser mit Freischnitt für feines Material oder kleine Löcher
60° und 90° Gravierfräser für Gravuren und Fasen
Planfräser für großflächiges Fräsen

Mein Schwerpunkt ist Holz, was sind geeignete Vorschübe und Drehzahlen?

Birkensperrholz ist hart aber nachgiebig. Die geeigneten Werte berücksichtigen immer die Stabilität der Maschine, die Drehmomente der Schrittmotoren und die Spindelleistung.

Wichtig ist, dass der Fräser Späne erzeugt und keinen Staub. Deshalb sollten niedrige Vorschubgeschwindigkeiten bei hohen Spindeldrehzahlen vermieden werden. Für den Anfang in Holz: Verwenden Sie die Hälfte Ihres Werkzeugdurchmessers als Tiefe pro Durchgang, berechnen Sie die Spindeldrehzahl mit der Formel für Vorschübe und Drehzahlen oder einem Rechner aus dem Internet, und probieren Sie diese aus. Schauen Sie sich die Späne an. Hören Sie der Maschine bei der Arbeit zu. Hört sie sich “gut” an? Erhöhen Sie die Tiefe pro Durchgang oder die Vorschubgeschwindigkeit allmählich und hören Sie an dem Punkt auf, an dem entweder Ihre Spindel gestresst klingt, Ihr Finish schlechter wird oder Sie sich mit Ihrer Maschine nicht mehr sicher fühlen. Drehen Sie wieder eine Stufe zurück, und das könnte Ihre ideale Vorschubgeschwindigkeit und Durchgangstiefe für das Material und den Fräser sein, den Sie gerade verwenden.

Für meine Maschine habe ich mich für F3500mm/min = 138in/m bei S24000U/min und einer Tiefenzustellung in Höhe des Fräsdurchmessers Z+6mm, Bahnüberlappung 10% entschieden. Für die Recherche habe ich die folgenden Websites benutzt: cnccookbook, cnc-rechner sowie Webseiten von Werkzeugherstellern wie Sorotec.

Weiterlesen?

CNC: Der Aufbau CNC Elektronik

1 Jahr CNC 🎂

Schallbert — Mon, 01 Jan 0001

Ein Jahr ‘Zerspanobert’, meine Portalfräsmaschine

Wir schreiben März 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 über meine Fortschritte. Natürlich konnte ich nicht jedes Projekt das ich in dieser Zeit durchgeführt 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 für meinen Bedarf ausgewählt habe. Es handelt sich um die zweitgünstigste Maschine von Sorotec. Sie bietet viele Eigenschaften “gehobenerer” Portalfräsmaschinen, wie z.B. Kugelumlaufspindeln, 3Nm Stepper, 48V Kleinspannungsschiene, vorgespannte Linearführungen. Um den Preis moderat zu halten, wurde allerdings auf andere Dinge verzichtet. So besitzt sie weder Riemenantriebe für die Schrittmotoren um Platz zu sparen noch doppelte Linearführungen an der Z-Achse oder zusätzliche Versteifungen für Portal, Z-Achse und Hauptrahmen.

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

Der Motor ist eindeutig überfordert mit

Birke Multiplex, Vollnutenfräsen, 6mm Fräser 2-schneidig, S24000, Z+12mm, F4000
HPL, Vollnutenfräsen, 6mm Fräser 2-Schneide, S24000, Z+6.5mm, F3500
Aluminium AlMg1, Vollnutenfräsen, 6mm Fräser einschneidig, S24000, Z+3mm, F1600

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

Der Vakuumtisch eröffnete die Welt der feinen Gravuren mit Graviersticheln und V-Fräsern. Das Problem war vorher, dass die Verformung des Werkstücks und Ungenauigkeiten des Arbeitstisches dazu führten, dass die Gravuren von sehr unterschiedlicher Qualität waren und größere Toleranzen in der Breite aufwiesen, als ich erwartet hatte. Diese Probleme gibt es jetzt nicht mehr, ebenso wenig wie die zusätzliche Arbeit, Vorrichtungen für kleine oder sperrige Werkstücke herzustellen. Das Halten und Spannen wurde um ein Vielfaches einfacher. Außerdem konnte ich die Z-Sicherheitshöhe reduzieren, was Fräsarbeiten 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 Fräser 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 aufgerüstet und konnte viel über Haltekräfte und Volumenstrom lernen, was zü meinem Artikel zur Auswahl der geeigneten Vakuumlösung führte. Ich habe Schwerschaummatten zur Vibrations- und Schalldämmung installiert. Man kann sie im Bild unten etwas schlecht erkennen, aber der gesamte Arbeittisch ist mit Dämmmatten unterfüttert.

Außerdem habe ich eine Absauganlage mit Zyklonabscheider installiert, die während des Fräsvorganges läuft. Die Menge an Spänen, die die Fräse produziert ist wirklich erstaunlich und so bin ich froh, dass ich die Anlage bereits seit Beginn meiner Arbeiten zur Verfügung habe.

Bald werde ich eine HF-Spindel statt meinem Oberfräsmotor einbauen und so Vibrationen, Toleranzen und Geräuschpegel 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.

Bei all diesen Werkstoffen musste ich lernen, wie sich die Materialien verhalten und mit welchen Parametern die Fräser betrieben werden müssen, um qualitativ hochwertige Ergebnisse zu erzielen. Einige Materialien waren so anspruchsvoll, dass meine Maschine überlastet war, bei anderen hatte ich Vibrationsprobleme oder Probleme, die gewünschte Qualität zu erreichen. Aber ich konnte immer aus Fehlschlägen lernen und meine Abläufe verbessern, um sie in Zukunft zu vermeiden.

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

Software

Bild: Hauptbildschirm der Qr-codengrave-App{: .align-right} Ich habe die Makros der Maschine sowie die Kinematikparameter optimiert, und sogar eine vollständige 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, stürzte mein CAM-System bei der Berechnung der Pfade für die Bearbeitung mehrerer Exemplare ständig ab. Daher musste ich die Aneinanderreihung manuell durchführen, was mich dazu brachte, mich mit Koordinatenverschiebungsbefehlen wie G54...G59.3, G68 und G92 zu beschäftigen, die, wenn sie nicht richtig verstanden werden, die Werkstücke 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 hätte ich meine Teile nicht fertigen können.

Hilfe und Unterstützung

Zum Glück hatte ich immer Leute, die mir helfen wollten und konnten. Meine Frau war immer für mich da und erlaubte mir, mir Zeit dafür zu nehmen, und meine Kinder besuchten mich häufig 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 Unterstützung:

Vielen Dank an Willy, Roy und Alex von Sorotec für Ratschläge, Tipps und Tricks, die mir geholfen haben, meine Maschine zu handhaben und eine bessere Lebensdauer aus den Fräsern herauszuholen. Ich habe den direkten Telefonsupport und die schnellen Bearbeitungszeiten für Fräserlieferungen und Garantiereparaturen geschätzt. Ich besuche auch gerne das hobbyline CNC forum für Diskussionen und um meine Geschichten dort zu veröffentlichen und zu diskutieren. So kann ich der Gemeinschaft etwas zurückgeben.

Auch Dank an das Team von EdingCNC, vor allem an Iwona und Pim für Ihre schnellen und ausführlichen Antworten auf Support-Tickets und Controller-Software bezogene Fragen.

Vielen Dank an Jo von Stritzelberger für stundenlange Diskussionen über gute Lösungen für meinen Vakuumtisch und Zubehör.

Von vhf möchte ich mich bei Frau Dressner für die Zeit und die häufigen Gespräche über Schnittqualität, Optimierung der Vorschübe und Geschwindigkeiten für Schaftfräser des Unternehmens sowie Beratung über Materialfrässtrategien bedanken.

Ein weiterer Dank geht an Nicolas von Benezan Electronics für seine Unterstützung bei der Analyse eines Problems mit dem Signal-Breakout-Board und schließlich dessen Austausch.

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

Vielen Dank an Dominik von Spinogy, mit dem ich über ein halbes Jahr lang telefoniert habe, um ein geeignetes Spindel-Upgrade und Zubehör für meine Maschine auszuwählen.

Abschließend möchte ich mich bei Achim von CadAsCam bedanken, für die freundliche Aufnahme von Software-Verbesserungsvorschlägen, 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 Aufträge

Innerhalb eines Jahres habe ich 200 Aufträge mit einer Gesamtlaufzeit von knapp 18 Stunden gefertigt. Wenn ich Einrichten der Fräse auf die Jobs, Montage des Werkstücks und so weiter einbeziehe, kann man die Stundenzahl verdreifachen. Bezieht man zusätzlich meine Arbeitsstunden in CAD und CAM mit ein, wäre 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 schätze, dass es auf Augenhöhe liegt mit dem Betreiben dieser Website, wo die Erstellung von Inhalten für eine Minute Lesedauer mich in etwa eine Stunde in Beschlag nimmt.

Außerdem habe ich viele Stunden damit verbracht, online nach Materialmessgeräten und Fräsern zu suchen, Ratschläge in Foren einzuholen und zu erteilen, nach Maschinen-Upgrades zu suchen und Videos darüber anzusehen, wie andere Leute ihre CNCs benutzen.

Mein derzeitiger Favorit (Stand: März 2023) ist übrigens 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 Schutzausrüstung, die Beleuchtung, die numerische Steuerung, den Laptop, die CAD/CAM/CNC-Software, die Schalldämmung, die Werkzeuge zum Bau der Maschine, die Absauganlage, die persönliche Sicherheitsausrüstung usw. investiert.

Und dabei habe ich noch nicht einmal die Kosten für Schaftfräser erwähnt.

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 Qualität der Ausrüstung eingegangen und habe mich nicht auf ein Material spezialisiert, was die Kosten geringer gehalten hätte.

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

Misserfolge und Lösungen

Hier ist eine Liste größerer Probleme, die ich im letzten Jahr erlebt habe.

Oberfräsenmotor fällt 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 Oberfräsenmotors fällt mitten im Auftrag auf die Mindestdrehzahl Ⓜ️

Dieses Problem war ebenfalls reproduzierbar und hatte zwei Ursachen:

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 Gehäuse so verändert 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 Operationsverstärkertyp montiert (nicht RTR). Unter noch unbekannten Umständen (vielleicht Kontaktprellen des Notschalters?) kam es bei diesem Teil zu einem “Latch-up”, so dass die Geschwindigkeit des Oberfräsenmotors 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 führte, dass sie quietschte und eine Menge Schritte verlor, die sich in den Zentimeterbereich summierten.

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” für alle Achsen gleichzeitig befahl, was dazu führte, dass die Maschine beim Abbremsen Schritte verlor und auf der Z-Achse an den mechanischen Endanschlag stieß. Glücklicherweise war es die obere Anschlag, so dass weder die Spindel noch die Maschine bzw. Maschinenbett beschädigt wurden. Nur die Schrittmotorkupplung rutschte durch. Uff.

Der Grund dafür: Die maximale Impulsfrequenz für kombinierte Achsenbewegungen beträgt bei meinem Controller 125kHz. Ich dachte, das sei pro Achse. Das ist falsch. Ich habe das mit dem Hersteller der numerischen Steuerung abgeklärt. Ich musste die Geschwindigkeitswerte der Achsen neu einstellen, um kombiniert unter 125kHz zu bleiben.

Um neue Werte zu finden, habe ich mir meine bisherigen Aufträge 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, während ich die Werte für die X- und Y-Achse reduziert habe. Dabei ist zu beachten, dass die Z-Achse aufgrund ihres kürzeren Kugelumlaufgewindes auf meiner Maschine die doppelte Auflösung hat, so dass die Werte verdoppeln müssen, um sie mit den anderen Achsen vergleichen zu können.

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

Kollision der Maschine mit dem Vakuumtisch 💥

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

Alles, was ich wollte, war 18mm Birke Multiplex zu fräsen. Ich ließ den Schruppfräser den Umriss erstellen, sah mich aber mit einem Problem konfrontiert, das mich dazu brachte, den Not-Aus zu drücken, als der Vorgang bereits abgeschlossen war (beim Zurückfahren zu XY0 wäre der Fräser auf ein Hindernis gestoßen). Ich korrigierte den Pfad und setzte die Maschine zurück. Ich wechselte das Werkzeug zum Schlichten und startete den Auftrag.

Als ich merkte, dass die Maschine ungewöhnliche Geräusche von sich gab, betätigte ich den Not-Aus. Aber bei über 4000mm/min zum Schlichten war ich nicht schnell genug, um zu verhindern, dass die Maschine durch den Vakuumtisch fräst.

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

Man kann erkennen, dass die Werkzeuglänge sowohl für den Schrupp- als auch für den Standardfräser gemessen wurde. Der Standardfräser 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 Werkzeuglänge nicht berücksichtigte. Also habe ich mir das Makro für den Werkzeugwechsel angesehen.

Man kan sehen, dass Variable #3501 speichert, ob bereits eine Werkzeuglänge gemessen wurde. Wenn dies der Fall ist, kann einfach die neue Werkzeuglänge 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 flüchtig ist, wie ein Blick in das Handbuch der Steuerung zeigt. Und es scheint, dass flüchtige Variablen nicht nur zurückgesetzt werden, wenn die Anwendung geschlossen wird, sondern auch, wenn der Not-Aus gedrückt wird.

Ausgehend von meinen vorherigen Aussagen hatte ich das folgende Problem: Das Drücken des Not-Aus löschte den Wert dieser Variablen, behielt aber die ursprüngliche 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 Werkzeuglänge Rechnung zu tragen, dachte das Makro, dass dies das erste verwendete Werkzeug sei und speicherte einfach dessen Länge in der Variablen #4501 (weil man - logisch - keine Differenz nehmen kann, wenn man vor dem ersten Werkzeug kein Werkzeug vermessen hatte).

Das allein hätte den Vorfall gar nicht verursacht, wenn der neu eingesetzte Fräser nicht zufällig weiter aus der Spannzange herausgeragt hätte als der vorherige.

Ich löste das Problem, indem ich dem Makro eine Meldung hinzufügte, wenn es nur die Werkzeuglänge speicherte, aber nicht den Versatz der Z-Achse änderte. 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 darüber vertiefen, wie Software mit Mechatronik interagiert, die physikalische Materie verändert, 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 hinzufügen können werde).

Bis bald! Schallbert

CNC 'Opferplatte'

Schallbert — Mon, 01 Jan 0001

Was ist eine ‘Opferplatte’?

Eine ‘Opferplatte’ ist ein Brett, was auf dem Maschinenbett befestigt und zumeist abgeplant wird. Auf ihm wiederum werden dann die Werkstücke befestigt. Es nennt sich Opferplatte, weil die Fräser beim Durchfräsen des Werkstückes meist einige Zehntel Millimeter tiefer in das Material tauchen als es stark ist, um jegliche Fasern sicher zu trennen und die Werkstückunterseite nicht auszufransen.

Zudem können Werkstücke ohne viel Aufhebens direkt auf der Platte festgeschraubt werden. Ist die Platte einige Zeit in betrieb und droht, uneben zu werden, lässt sie sich meist noch ein paar weitere male abplanen und somit weiternutzen, bevor sie dann nach langem produktiven Einsatz erneuert werden muss.

Ein weiterer Vorteil der Opferplatte ist, dass selbst bei fehlerhaften Fräsbefehlen nicht direkt der teure Maschinentisch in Mitleidenschaft gezogen wird und zumeist sogar der Fräser diese Fehler überlebt.

Projekt-Steckbrief

Schwierigkeitsgrad: mittel 3/5
Kosten: ~60€
Zeitaufwand: ~6h

Zur Anleitung

Das Design verwendet Schlitze für Hammermuttern in verschiedenen Winkeln, um eine sehr flexible Aufspannung zu ermöglichen. Es umfasst auch einen Anschlag, der die Vorbereitung bei Fertigung aus mehreren Plattenrohlingen erleichtert: Der Werkstücknullpunkt liegt immer an der gleichen Stelle, und das Einspannen gegen den Anschlag genügt meist bereits, so dass kein Niederhalten in Z-Richtung erforderlich ist. Der Anschlag hat zwei Aussparungen: Eine zur Aufnahme des Werkzeuglängensensors und eine weitere am XY-Nullpunkt, um Werkzeugkollisionen beim schnellen Positionieren zu vermeiden.

Einfache Einstellung für fast jede CNC

Die Maße, die ich genommen habe, passen für eine Basicline 0607 Portalfräsmaschine. Da ich aber ein parametrisches CAD-Tool verwende, müssen nur die Abmessungen an Ihre Maschine angepasst und einige Zeichnungsfehler behoben werden, sodass eigene Entwürfe schnell von der Hand gehen sollten.

Die Idee

Wie bereits erwähnt, muss meine Opferplatte die folgenden Kriterien erfüllen:

Sie muss auf dem Grundrahmen der CNC-Maschine befestigt werden können (Hammermuttern / M5-Schrauben)
Befestigungspunkt in der Nähe des XY-Nullpunkts
T-Nuten für flexible Montage bei 0°, 22,5°, 45°, 67,5°, 90°
Anschlag, Schnellmontage auf der Opferplatte zur Vereinfachung des Spannens und Verbesserung der Wiederholgenauigkeit
Anschlag zur Aufnahme des Werkzeuglängensensors
Anschlag zur Bereitstellung eines Ausschnitts am XY-Nullpunkt
Soll auf der CNC, für die sie entwickelt wurde, herstellbar sein (bei Bedarf mehrstufig)

Entwurfsphase: CAD

Ich begann mit einer Maßtabelle in Freecad und ein paar leeren Skizzen.

Montage am Grundrahmen

In die Tabellenkalkulation habe ich zunächst die Abmessungen des Grundrahmens und des CNC-Verfahrbereichs sowie die Parameter der Einschlagmutter, der Unterlegscheibe und des Befestigungselements eingegeben. Ich maß die genauen Positionen der T-Muttern des Grundrahmens, an denen ich das Opferplatte befestigen wollte, und gab sie in die Kalkulationstabelle ein.

Danach öffnete ich die erste Skizze und zeichnete das Opferplatten-Rechteck, wobei ich die Abmessungen mit den Daten aus der Tabelle so hinzufügte, dass die Skizze “fully constrained” - also vollständig bestimmt ist. Ich fügte Konstruktionslinien hinzu (d. h. Linien, die in der endgültigen Zeichnung nicht zu sehen sind, aber dazu dienen, Zwangsbedingungen zu verankern, Linien zu zeichnen oder die Symmetrie innerhalb einer Zeichnung zu markieren), wo die Zentren der T-Muttern des Grundrahmens positioniert sind.

Weiter fügte ich konzentrische Kreise für Unterlegscheibensenkungen und Durchgangslöcher in gleichmäßigen Abständen hinzu. Sie werden später die Befestigungselemente und ihre Unterlegscheiben aufnehmen. Über ihre endgültige Position auf der Y-Achse habe ich noch nicht entschieden, da die T-Muttern der Opferplatte einige dieser Befestigungspunkte beeinträchtigen würden.

Die CNC-Bearbeitung für diese Skizze muss auf der “Oberseite” der Opferplatte durchgeführt werden.

Schlitze für T-Muttern und Befestigungspunkte für den Anschlag

Nun war es wieder an der Zeit, der Tabelle einige Daten hinzuzufügen: T-Nut-Parameter, Winkel, Randbreite wie folgt:

Zunächst musste ich auf dem Opferplatte Konstruktionslinien hinzufügen, um den Verfahrbereich der CNC zu markieren. Danach musste ich etwas Platz für den Anschlag reservieren. Erst dann konnte ich mit dem Zeichnen und Positionieren der T-Nuten beginnen, die jeweils unterschiedliche Winkel und Längen hatten, je nachdem, welchen Rand ich aus Stabilitätsgründen beibehalten wollte.

Jede T-Nut erhielt eine Symmetrie-Konstruktionslinie, um die herum zwei Rechtecke zur Markierung der Schlitz- und Falzschultern liegen.

Dann fügte ich Senkungen für Schraubmuttern hinzu, die später den Anschlag am Rand der Opferplatte halten werden. In ihrer Mitte sind Durchgangsbohrungen für die Befestigungselemente vorgesehen.

In einem letzten Schritt passte ich die Positionen der Löcher in der Skizze für die Grundrahmenbefestigung an, wo sie mit den Schlitzen für die T-Muttern kollidierten.

Die CNC-Arbeit für diese Skizze wird auf der “Unterseite” der Opferplatte ausgeführt - die Hammermuttern funktionieren nur, wenn sie von unten greifen.

Anschlag

Hier müssen nur noch einige weitere Daten in das Tabellenblatt eingefügt werden: Ellipsoidabmessungen für den XY-Nullpunktausschnitt, den Werkzeuglängensensor und die Breite des Anschlags auf der Y-Achse. Seine Abmessungen auf der X-Achse waren bereits durch den Verfahrbereich der Maschine vorgegeben.

Das Zeichnen des Anschlags war einfach, da ich mit dem Werkzeug “Kante verbinden” Positionen von Linien aus anderen Skizzen importieren konnte. Der Anschlag ist ein eigener “Job” mit einem eigenen physischen Teil auf der CNC, und er wird nur auf der Oberseite gefräst.

Planungsphase: CAM

Jetzt kam der schwierige Teil: Statt drei Jobs wie oben angegeben, brauchte ich eigentlich sechs. Das liegt daran, dass der Verfahrbereich der CNC kleiner ist als die Abmessungen der Opferplatte. Außerdem plante ich mit Rohlingen, die bereits die richtigen Umrissmaße hatten, damit ich sie auf die Maschine einpassen konnte.

Der erste Teil dieser Arbeit bestand darin, Senkungen und Löcher für das untere Ende der Opferplatten-Halterungen zu schaffen. Ich setzte den Nullpunkt ganz unten links auf der Maschine (X0, Y-max), damit ich sicher sein konnte, dass die relativen Koordinaten passen würden.

Für den oberen Abschnitt wurde das oberste Loch auf der linken Seite als XY-Referenznullpunkt verwendet, der in der vorherigen Arbeit erstellt wurde. Auf diese Weise konnte ich das Material flexibler einspannen.

Ich wiederholte diese Vorgehensweise für die beiden anderen Jobs.

Für die T-Nut Schlitze musste ich die Skizze spiegeln und mein Material um die Y-Achse drehen, da die Unterseite der Opferplatte hier bearbeitet werden musste. Das könnte man auch in CAM machen, aber ich zog es vor, für diese Aufgabe schnell wieder ins CAD zu wechseln.

Für all diese Arbeiten habe ich einen 6-mm-Holzfräser mit 2 Schneiden und einer Fräserlänge von 21mm verwendet. Da dies meine allerersten Schritte mit einer CNC waren, habe ich mit sehr konservativen Parametern für dieses Werkzeug geplant: S24000U/min, F2800mm/min, Z+=6mm, XY+=85%.

Ich habe den ersten Job sogar “in der Luft” ausgeführt, um sicherzugehen, dass ich alles richtig eingestellt hatte.

Ausführung

Ich war ratlos, als ich das Material endlich auf dem Maschinenbett hatte: Wo sollte ich das bloß einspannen? Die Seiten waren durch das Portal belegt, was sich ja bewegen würde. An der Rückseite der Maschine ist bereits die Kellerwand… Würde es also ausreichen, das Werkstück nur an der Vorderseite einzuspannen? Und da ich ganz durchfräsen wollte, sollte ich eine weitere Opferplatte unter meiner Opferplatte anbringen, damit ich nicht versehentlich in das Maschinenbett schnitt?

Ich beschloss, dass diese Einwände berechtigt seien, und wartete, bis das Wochenende vorbei war, um etwas Altholz und mehr doppelseitiges Klebeband zu kaufen.

So habe ich niedergehalten: Standard-Zwingen unten, doppelseitiges Klebeband oben. Hat sehr gut funktioniert.

Bevor ich den Rahmen endgültig auf der Opferplatte befestigte, habe ich ihn mit einer “Spiral”-Strategie abgeplant. Es genügte bereits Z=0,3mm tief zu fräsen. Dabei kam ein 14-mm-Planfräser bei einer Geschwindigkeit von nur 5500U/min zum Einsatz. Fast 30 Minuten vergingen während der Ausführung. Das Ergebnis war eine Oberfläche, die so glatt war wie die des Originalmaterials.

Bewertung

Zum Glück hat am Ende alles geklappt. Wie sauber der die Schnitte sind! MDF und scharfe Schaftfräser scheinen gut miteinander zu harmonieren. Hinweis: Für Arbeiten in MDF braucht man eine wirklich gute Absaugung, da bei der Bearbeitung atemberaubende Mengen an Staub entstehen.

Mit der Gesamtqualität bin ich sehr zufrieden. Jeder einzelne Befestigungspunkt an Maschinenbett und Anschlag passt, und der Werkzeuglängensensor sitzt gut in seiner Aussparung.

Es gibt zwei Dinge zu bemängeln: Der von mir verwendete Schaftfräser ist sehr laut und gibt ein unangenehmes kreischendes Geräusch von sich, dem ich sogar einen Blogbeitrag gewidmet habe. Zweitens habe ich mich in meinem CAM-Tool nicht ausreichend um die Fräsrichtung gekümmert. Auf diese Weise entschied sich das CAM-Tool, einen Durchgang im Gegenlauf und einen weiteren im Gleichlauf durchzuführen (der Schlitz war so breit wie das Werkzeug, für das CAM-Tool ist es also beides Gleichlauffräsen, nur die “Seite” des Werkzeugeingriffs ändert sich). Der Unterschied ist ein sehr kleiner, aber spürbarer Grat an der Kante des Anschlags.

Mit dieser Opferplatte kann ich jetzt Platten bis zu einer Größe von 620 mm x 620 mm bearbeiten!

Nun, ein Manko ist noch der Werkzeuglängensensor. Er ragt in den Arbeitsbereich hinein, was ein Problem darstellt, wenn ich große Werkstücke bearbeiten will und Werkzeugwechsel geplant sind: In diesem Fall verwende ich Makros zur Messung der Werkzeuglänge, weshalb ich den Sensor nicht entfernen möchte. Als Iteration könnte ich den Anschlag so überarbeiten, dass er den Sensor vollständig umschließt.

Vielleicht.

Später.

Seifenbutler

Schallbert — Mon, 01 Jan 0001

Projekt-Steckbrief

Schwierigkeitsgrad: Mittel 3/5
Kosten: ~250€
Zeitaufwand: mehr als ein Jahr

Die Geschichte vom Seifenbutler

Begleiten Sie mich hier über eine Zeitraum von mehr als einem Jahr, in welchem ich beständig an ein- und demselben Projekt arbeite. Dabei geht es von einer Idee mit wenigen Anforderungen hin zur Vorserienreife. Ich erläutere meine Prototypenarbeit, gehe ein wenig auf die vielen Rückschläge ein und nähere mich am Ende einem - wie ich meine - guten Produkt an.

Idee

Mai 2022

Vor Kurzem bin ich beim Duschen von flüssigem Shampoo auf ein Shampoo bzw. Seife in fester Form umgestiegen. Da ich keine Ablage für die Seife hatte, wurde sie gleich mitgeduscht. So verbrauchte sie sich schneller, wurde tagelang nicht trocken und klebte auch noch am Rand der Dusche fest.

Ich wollte keinen normalen Seifenhalter kaufen, für den man Löcher in die gefliesten Wände bohren müsste. Also beschloss ich, einen Seifenhalter zum Anklemmen für die Duschstange zu entwerfen. Ich würde das Teil über dem Duschkopf anbringen, damit es nicht mehr Wasser als nötig ausgesetzt ist.

Außerdem soll der Seifenhalter im Handumdrehen und ohne Werkzeug zu montieren sein.

V1-V3: Erste Entwürfe in HPL

Juli 2022

Also entwarf ich meinen eigenen Halter. Ich wollte ein einfaches, rundes Design mit einem Klemmloch zur Befestigung an der Duschstange und einem abgesenkten Bereich, in dem die Seife bzw. das feste Shampoo untergebracht werden sollte. Durch einige Schlitze im Boden sollte das Wasser abtropfen und die Seife an der Luft trocknen können, wenn sie nicht benutzt wird. Ich wollte ein Befestigungselement im Inneren des Teils und eine Mutter auf der Innenseite anbringen, damit der Durchmesser des Lochs für die Duschstange verringert und der Seifenbutler - so der Name für das gute Stück - auf diese Weise festgeklemmt werden kann.

Um dies zu ermöglichen war es sinnvoll, zwei Bauteile zu fertigen - ein oberes, das die Seife an Ort und Stelle hält und Platz für die Aufnahme der Befestigungsmechanik bietet und ein unteres, das Ablaufschlitze für überschüssiges Wasser und die Aufnahme der anderen Hälfte der Befestigungsmechanik aufweist.

FreeCAD: Skizzen

FreeCAD-Artefakte werden auf eine bestimmte Art organisiert, um den Umgang mit verschiedenen Ansichten zu vereinfachen oder die spätere zweiseitige Bearbeitung mit Hilfe der Funktion Klonen vorzubereiten. Daher erstelle ich zunächst eine Reihe von Teilen im Modus Parts Design. Skizzen können in Körperelementen gruppiert werden, die wiederum in Teilelementen angeordnet sind.

Ich erstelle also ein Teil (gelbes Element), das “Skizzen” enthält - alle Originalzeichnungen (rote Elemente) aller Körper (blaue Elemente) des/der zu produzierenden Teils/Teile. Diese Zeichnungen sollten vollständig bestimmt “fully constrained” sein. Sie können keine Informationen zur Positionierung relativ zu anderen Komponenten enthalten. Das bedeutet, dass sich die Skizzen alle am gleichen Ort befinden. Somit sollten alle inaktiven Skizzen ausgeblendet werden um Verwechslungen zu vermeiden.

(Einen tieferen Einblick in meinen FreeCAD-Workflow bietet dieser Blog-Artikel.)

FreeCAD: Teile

Dann erstelle ich Teile, die später die zu schneidenden Komponenten enthalten, z.B. “clampingHoles”, “soapButler”, “wallHolder”. Sie enthalten jeweils eine Untermenge der Skizzen, aber keine Informationen zur endgültigen Positionierung. Zuletzt erstelle ich ein Teil für jeden Auftrag, den meine Produktion auszuführen hat, z. B. job00_clamping, job01_upperMill, job02_3dCut, job03_lowerFinish. Diese klonen Körperkomponenten, fügen aber Platzierungsinformationen hinzu, enthalten gespiegelte Teile für das 2-seitige Fräsen oder bieten einen Umriss, um die XY-0 richtig einzustellen.

Der Vorteil einer solchen Projektkonfiguration besteht darin, dass, wenn eine Original-Skizze aus irgendeinem Grund geändert werden muss, alle geklonten Teile automatisch ebenfalls geändert werden. Zudem kann man bei geschickter Organisation erreichen, dass Maße der Teile einfach in der Tabelle geändert werden können und sich dann die gesamte Teilegeometrie darauf anpasst, ohne dass manuell nachgearbeitet werden muss.

Bearbeitung

Für meinen ersten Prototyp habe ich Hochdrucklaminat als Material gewählt, da es sehr widerstandsfähig ist, ab und zu nass werden kann und ziemlich gut aussieht. Für die Bearbeitung habe ich Fräser mit niedriger Spiralsteigung verwendet, um die Vibrationen beim Schneiden des zähen HPL-Materials unter Kontrolle zu halten. Ich habe mich für beschichtete Einschneider-Hartmetallfräser entschieden, die ich vor einiger Zeit gekauft habe (für das Schneiden von Aluminium). Ich benutzte Exzenterspanner, um das Teil an seinem Platz zu halten, und nahm nur zwei zusätzliche Niederhalter zur Hand, damit das Teil auf dem Maschinenbett blieb.

Ich hatte einen Fehler im CAM-Programm, für dessen Behebung ich ein paar Minuten brauchte: Ich hatte die Werkzeugwege für die Spirale nach innen und nicht nach außen eingestellt. Das Problem dabei ist, dass die Spirale mit Fortschreiten des Schnittes immer schwammiger und instabiler wird. Ich konnte die Vibrationen nur dadurch in Schach halten, dass ich den Fräsvorgang häufig unterbrach und Klebeband an den Stellen anbrachte, an denen der Schnitt bereits eingebracht war.

Bewertung

Die Herstellung des ersten Prototyps lief ganz OK. Die Maschine brummte zuversichtlich, und abgesehen von einigen kleinen Fehlern (Befestigungslöcher im unteren Teil zu eng, Länge der Klammerbefestigung falsch angegeben) war ich mit dem Ergebnis einigermaßen zufrieden.

Ich brauchte etwa 20 Minuten, um das Teil auszulösen und die Anbindungen zu entfernen. Dies erschien mir als deutlich verbesserungswürdig.

V4: Fehlschlag mit billigem HPL

Oktober 2022

Ich habe die Fasenfunktion in meiner CAM noch nie verwendet und dachte, dies wäre eine gute Gelegenheit für einen Test, da die Teileecken bei meinem ersten Prototyp ziemlich scharf waren. Da ich nur einen 4mm Schaftfräser verwende, erschien mir der 90° 10mm Fasenfräser zu groß, zumal ich nach außen versetzen musste, um die Spitze des Fasenfräsers nicht zu verschleißen. Deshalb wählte ich einen 30°-Winkel, was sich schnell als Fehler herausstellte, da die Ecken damit kaum weicher wurden.

Ich vergaß auch, dass nur die Außenseite der Teile von einer abgeschrägten Kante profitieren würde. Ich hingegen wendete die Fase auf der Innenseite an, was der Verarbeitungsqualität abträglich war. Außerdem stellte ich fest, dass die neue HPL-Platte, aus der ich die Prototypen herstellte, nicht ganz plan auflag, so dass einige Teile des Umrisses nicht vollständig durchgefräst waren. Dies führte wiederum zu einer geringeren Qualität und zu erheblichen manuellen Nacharbeiten.

V5: Korrekturen im CAM und bessere Verarbeitungsqualität

November 2022

Ich finde die Freiarmklammer mit offenem Befestigungselement nicht so schön anzuschauen, weil sie Asymmetrisch ist. Außerdem würde sie wegen des engen Spalts schwer zu reinigen sein. Nach einigem Nachdenken kam ich auf die Lösung einer “Mittelklemme”: Das Befestigungselement würde gegen ein Stück Gummi drücken, das direkt an der Duschstange anliegt, um die Seifenablage in Position zu halten.

Fasen

Nachdem ich die Zeichnungen entsprechend aktualisiert hatte, erstellte ich ein weiteres, gespiegeltes Teil in FreeCAD im Modus “Draft”. Dieses Teil klont das Originalteil am Umriss und ist für das zweiseitige Fräsen bestimmt, wobei das Teil um seine linke obere Kante (XY-Null) gedreht wird. Auf diese Weise ist die Fase dann richtig umzusetzen, wenn ich sicherstellen kann, dass sich der XY-Nullpunkt nicht bewegt.

Das hat in der Praxis sehr gut funktioniert, und ich konnte auch das Anbringen von Senkbohrungen für die unteren Befestigungselemente automatisieren, was die Bauqualität erhöht. Das Ergebnis ist unten zu sehen.

Bewertung

Nachdem dieses fünfte Teil bearbeitet war musste ich leider feststellen, dass die Melaminbeschichtung an der Schnittkante leichte Ausrisse aufwies. Außerdem bemerkte ich während der Bearbeitung den Geruch nach verbranntem Material. Ein kurzer Blick auf den Fräser offenbarte die Ursache: Er war nach nur einer Stunde Betriebszeit trotz Beschichtung stumpf geworden. Das macht die Arbeit mit HPL ziemlich teuer und frustrierend. Außerdem war die Zykluszeit für diese Version recht lang: 15 Minuten für ein Teil. Das würde nie wirtschaftlich werden¹.

Deshalb habe ich versucht, alternative Materialien für den Seifenbutler zu finden. Inzwischen sollten die Prototypen ein paar Monate lang in der Dusche ausprobiert werden, um Langzeiterfahrungen zu sammeln. Ist HPL geeignet für den Einsatz im Feuchtraum? Kriecht das Wasser zwischen den beiden Schichten hindurch? Ist es leicht zu reinigen?

V6: Fehlschlag mit Birke-Multiplex

Mai 2023

Auf der Suche nach neuen Materialien besorgte ich wasserfeste Holzplatten, verleimt im Multiplexverfahren. Da sie mit 15mm deutlich stärker war als das vorher verwendete Material, vereinfachte ich das Design in eine Ausführung, die aus nur einem Teil besteht und hinten zentral über eine Madenschraube verfügt, die die Klemmung an der Duschstange übernehmen sollte.

Das Loch für die Madenschraube würde ich nach der Fertigung auf der CNC von Hand bohren.

Leider jedoch stellte sich das Material auf der CNC als ungeeignet für das Fräsen der Spirale heraus. Ich bekam zahlreiche Ausrisse und hatte Schwierigkeiten, das Werkstück niederzuhalten. Die Konturen meines Seifenbutlers waren für das kreuzverleimte Material schlicht zu fein bzw. die Faserlänge des Holzes zu groß.

Die fünf gefertigten Teile wanderten direkt in den Restmüll.

V7: Fehlschlag mit Aluminium-Verbundmaterial

Juli 2023

Ich kehrte nun zum Design als Zweiteiler zurück und überlegte, ob Aluminium-Verbundmateial durch seine Korrosionsbeständigkeit nicht ebenfalls für meine Seifenablage geeignet wäre.

Kurzerhand fertigte ich einen neuen Entwurf an², der die Eigenschaften des neuen Materials versucht, so gut wie möglich zu berücksichtigen. Nebenbei überlegte ich mir, dass durch das leichtere Material jetzt endlich eine Halterung über Magnete möglich sein müsste und sah entsprechende Senkungen im Rahmen dafür vor.

Ich hatte die Idee, dass ein Teil von je einer Seite der Duschstange aus angelegt und dann über die Magnete zusammengehalten würden - damit bin ich endlich die lästige Klemmschraube los und habe ein sehr einfaches Design.

Leider jedoch erwies sich das Konzept als völlig ungeeignet. Die Haltekraft der Magnete ist nicht hoch genug und die Klemmung funktioniert nur über das Abkippen des Seifenhalters nach vorne, welches einen seltsam schiefen Eindruck an der Duschstange ergibt.

Also: Weitertüfteln!

V8: Umstieg auf Acrylglas, Spannfutter

Juli 2023

Nach vielen Stunden am Rechner für den Entwurf kam ich auf ein neues Klemmprinzip, abgeschaut vom Bohrfutter eines Akkuschraubers: Drei im 120°-Winkel angebrachte, bewegliche Klemmvorrichtungen würden - mittels eines Kabelbinders zusammengeführt - Duschstangen beliebigen Durchmessers festhalten.

Fertigung

Ich stieß auf vielfältige Schwierigkeiten in der Fertigung, verursacht hauptsächlich durch die teils sehr kleinen Komponenten, welche zudem auch noch Kerben für die Führung der Kabelbinder aufweisen mussten. Hinzu kam bei mir die Einsicht, dass Entwurf und Anfertigung leichtgängiger Passungen ohne merkliches Spiel für mich eine große Herausforderung sind und eine Menge erfolgloser Versuche benötigt, bis ich am Ziel bin.

Durch die Verwendung verschieden großer (2mm, 4mm) Fräser und Optimierung der Fräsreihenfolge konnte ich die Teile jedoch schließlich erfolgreich und in guter Qualität herstellen. Siehe dazu mein Artikel zum Thema Kleinteile Fräsen. Einzig die Spirale bereitet mir noch Kopfzerbrechen, denn auch in Acrylglas möchte sie dem Fräser am liebsten ausweichen. Dadurch sind ihre Kanten recht scharf.

Der Zusammenbau gestaltete sich zum Glück einfach - man benötigt nur eine Schraube und etwas Plastikklebstoff. Nur das Einfädeln des Kabelbinders will geübt sein.

Praxistest

Ich hatte diese Variante testweise für ein paar Monate in meiner Dusche. Da die Schraube nur verzinkt war, begann sie leider recht schnell, zu korrodieren. Merke: Edelstahl verwenden.

Die Stabilität des Seifenbutlers ist weiter verbesserungswürdig. Der Kabelbinder lässt etwas Spiel, sodass mit wenig Kraftaufwand Neigungen von rund 10° gegenüber der Senkrechten der Duschstange möglich sind. Dabei knarzt es ganz schön zwischen Ober- und Unterteil. Da muss noch nachgebessert werden.

Außerdem würde ich den Klemmmechanismus gern wieder etwas vereinfachen.

V9: Gegossenes Acrylglas, Seifenbutler abnehmbar

Juli 2023

Diese Weiterentwicklung hält Ober- und Unterschale vorn mit Magneten zusammen, welche sich unsichtbar im Material versenken lassen. Im Klemmbereich hinten befinden sich zwei Einsätze, die wie bei einer Schublade in eine passende Aussparung des Seifenbutler passen und ihn so zusammenhalten.

Ich habe mehrere Prototypen benötigt, bis ich die Binderführung soweit hatte, dass der Kabelbinder einfach hinten in den Seifenbutler gesteckt wird, er sich von selbst um die Duschstange legt und schließlich wieder zum Vorschein kommt, wo er dann zum Festzurren bereit liegt.

Dies ist das erste Design, was meine Anforderungen hinsichtlich Haltekraft und Einfachheit der Montage erfüllt. Leider ist die Fertigung komplex und die Toleranzen müssen eng gehalten werden, da der Seifenhalter entweder zu leicht aus der Klemmung herausrutscht oder aber durch zu enge Passungen kaum angebracht werden kann.

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Seifenbutler zip tie demonstration

V10: Verbessertes Fertigungsverfahren

August 2023

Mit ein paar Optimierungen entspricht diese Version der V9. Ich erreichte eine bessere Wiederholbarkeit in der Fertigung und kann Toleranzen für Passungen etwas großzügiger auslegen.

Mit diesem Design hole ich mir erste Rückmeldungen aus dem Bekanntenkreis. Einhellige Meinung: Kabelbinder wirken wie ein Provisorium und können den Kunden nicht zugemutet werden.

Also zurück ans Reißbrett.

V11: Stecksystem ‘L-Nase’ in HPL

August 2023

Ein weiterer Versuch in HPL, dieses Mal mit Vielzahnfräsern. Sie raspeln das Material eher als dass sie es schneiden und sind für die Bearbeitung abrasiver, faserreicher Materialien wie CFK/GFK ausgelegt. Die hohe Zähigkeit von HPL gepaart mit der schlechten Wärmeableitung jedoch lassen die Fräser nach nur zwei gefertigten Prototypen komplett stumpf werden. Also sind sie auch keine Lösung für effiziente Arbeit in HPL für mich.

Das Design ist wieder mehrteilig und erreicht die Klemmung im letzten Update über eine hinten montierte Schraube, die nach Zusammensetzen von Vorder- und Rückteil angezogen wird. Dadurch wird der Seifenhalter insgesamt länger, was ich vom Design her nicht optimal finde.

Die Fertigungsqualität hingegen habe ich inzwischen gut im Griff, finde ich. Die Schnitte sind sauber und auch die Qualität der Kanten ist sehr ansprechend.

Durch die schnelle Abnutzung der Fräser ist es für mich sehr schwer, in eine leichte Übermaßpassung für die Steckverbindung herzustellen. Allzu leicht geschieht es bei meinen Versuchen, dass der Fräser zu schnell an Durchmesser verliert und die Teile gar nicht oder nur mit roher Gewalt ineinander gesteckt werden können.

Vielleicht kann ich dieses Problem durch eine andere Passungsgeometrie lösen?

V12: Stecksystem ‘Brio’

September 2023

Hier verwende ich wieder Acrylglas, diesmal die extrudierte Variante. So sind die Dicketoleranzen gegenüber der gegossenen Variante sehr gering und meine Z-Nullpunkte sind stets passend. Dies ist prima für anzubringende Fasen, die endlich bei jedem Teil gleich breit ausfallen und dem Material eine hohe Wertigkeit verleihen.

Nun habe ich auch eine Lösung für die Spirale: Doppelseitige Bearbeitung. Dadurch steigt zwar der Aufwand für mich, allerdings verbringe ich lieber mehr Zeit an der Maschine, als mich später über mangelnde Qualität zu ärgern.

Mein Vorgehen: Ich fräse die Spirale fast ganz durch und lasse nur zarte 0.3mm stehen. Auf der Rückseite dann verwende ich den Fasenfräser und fahre die Spirale von innen nach außen ab. Zusätzlich sichere ich die Unterseite mit Klebeband, sodass mein Vakuumtisch die Spirale sicher halten kann und Schwingungen vermieden werden.

Das Design sieht ein Rändelrad vor, sodass die Klemmung ohne Werkzeug erfolgen kann. Da die Klemmung starke Zugkräfte auf die Verbinder ausüben und sie daher aus Stabilitätsgründen genau in der Achse der Duschstange positioniert sein müssen, habe ich auch hier ein leichtes Abkipp-Problem. Dieses verstärkt sich, je kleiner der Durchmesser der Duschstange ist.

Mit einer weiteren Variante konnte ich das Abkippen vermeiden, allerdings sind die Zapfen dann nicht mehr verdeckt. Dies wiederum hat zur Folge, dass dort jetzt Duschwasser eindringt und Rückstände hinterlassen kann.

Ich bin fast da. Trotzdem kann ich vielleicht noch etwas verbessern.

V13: Klemmautomatik und Nullserienfertigung

Oktober 2023

In Version 13 versuche ich, die Vorteile der vorgehenden Varianten V9-V12 zu bündeln und dabei die Nachteile (Abkippen, Kabelbinder, Montage mit Werkzeug, instabil) so gut wie möglich zu umgehen.

Neues Klemmkonzept

Ich verfolge daher noch ein neues Klemmkonzept. Ich möchte alle handelsüblichen Duschstangen bei der Montage berücksichtigen und muss daher zwischen 18mm und 25mm sicher klemmen. Aus den vorherigen Versionen ist mir ebenfalls klar geworden, dass zusätzlicher Druck von zentral hinter der Duschstange ausgeübt werden muss, um ein Abkippen des Seifenbutlers nach vorn zu verhindern.

Zusätzlich versuche ich, die Verriegelung um die Duschstange über eine Drehbewegung zu realisieren. Der Drehpunkt ist dabei die Mitte der Spirale, was drei weitere Schraubverbindungen am Umfang des Seifenbutlers erforderlich macht. Mit V13.9 schaffe ich endlich den Durchbruch.

Eine Klemmautomatik wird durch das Zusammenschieben von Ober- und Unterschale betätigt, sodass der Seifenbutler sich dem Durchmesser der Duschstange stufenlos anpasst. Die Arretierung findet über ein Rändelrad an der Unterseite statt, wo eine schiefe Ebene am Fanghaken unbeabsichtigtes Öffnen verhindert.

Fertigung

Dieses Design ist unglücklicherweise sehr komplex. Es besteht aus fünf Komponenten aus Acrylglas, fünf Schrauben und einer Rändelschraube mit Federring, deren Zusammenbau etwas Zeit in Anspruch nimmt.

Die Arbeit an der CNC beträgt über 10 Minuten pro Teil, was doch recht üppig ausfällt. Zudem habe ich einiges an Verbrauchsmaterial durch die erforderliche Werkstückniederhaltung.

Dennoch: Die Fertigungsqualität ist so hoch wie nie zuvor und der Seifenbutler ist jetzt kinderleicht und ohne Werkzeug binnen kurzer Zeit anzubringen.

Fazit

Januar 2024

Wenn ich meine CAD-Dateien so durchsehe, dann habe ich in der Summe bis jetzt 42 Versionen meines Seifenhalters geplant, aufgeteilt in 13 teils sehr unterschiedliche Designs. 21 dieser Versionen haben es am Ende auch wirklich auf die CNC geschafft und 5 von ihnen sind wiederum in einer größeren Stückzahl als 3 hergestellt worden.

Ich habe vier Seifenbutler zwecks Dauertest in meiner Dusche und inzwischen werden sie von der ganzen Familie benutzt.

Die Anzahl Stunden, die ich mit dem Thema bis jetzt verbracht habe, kann ich gar nicht seriös zählen - es waren aber echt viele. Ich habe eine Menge über Materialien und ihre Eignung für verschiedene Teilegeometrien, Aufnahme von Kräften, ihre Bearbeitbarkeit und dafür notwendige Schnittwerte an meiner Maschine gelernt. Und auch, dass es sich lohnt, Dinge mit Biss auch über lange Zeit weiterzuverfolgen. Vielleicht nicht monetär, doch auf jeden Fall für mich als Mensch.

Ich möchte auch gar nicht ausschließen, weitere Optimierungen am Seifenbutler vorzunehmen - erst einmal will ich in naher Zukunft aber schauen, ob er als Nischenprodukt markttauglich ist.

Einen tieferen Einstieg zu den Herausforderungen bei Bearbeitung von HPL gebe ich in diesem Blogbeitrag. ↩︎
Wie man an den CAD-Bildern ab hier erkennen kann, bin ich mit meiner Zeichensoftware umgestiegen (von FreeCAD nach CADasCAM). Für 2D-Zeichnungen ist es trotz einiger Nachteile leichter zu bedienen und ich komme schneller zu Ergebnissen. Ein großer Wermutstropfen: CADasCAM ist nicht quelloffen 😥. ↩︎

Spindel-Upgrade

Schallbert — Mon, 01 Jan 0001

Projekt-Steckbrief

Schwierigkeit: Experte 5/5
Kosten: ~2700€
Zeitaufwand: ~20h

CNC Spindel-Upgrade↗

Entgegen meiner Aussage hier habe ich mich entschieden, eine Hochfrequenz-Spindel zu kaufen. Ich musste eine Menge lesen, planen, bauen und testen bevor ich mit der neuen Spindel endlich “Späne machen” konnte.

Gründe für die Investition

Es gibt starke und schwache Argumente für solch ein Upgrade. Kurz gesagt waren meine Argumente eher schwach, also hätte ich bei meinem bewährten Oberfräsmotor (Universalmaschine) bleiben können, deren Möglichkeiten und Grenzen nach einem Jahr im Einsatz klar auf der Hand lagen. Letztendlich war es mehr eine emotionale als eine faktenbasierte Entscheidung.

Starke Argumente 🥰

Mehr Leistung: Dieses Problem sollte nun nicht erneut auftreten, denn die Spindel kann jetzt deutlich höhere Zustellungen und Geschwindigkeiten fahren. Daher reduziert sich die Herstellungszeit, vor allem bei Aufträgen, bei denen viel Material abgetragen werden muss.
Mehr Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen: Mein Fräsmotor konnte bei Einsatz eines Planfräsers die Drehzahl kaum halten, zudem überhitzte er sehr schnell weil sein Lüfterrad nicht genügend Luftdurchfluss ermöglichte. Durch die Fremdkühlung ist das Problem jetzt behoben.
Vibrationen: Ich hoffe, dass mein Vibrationsproblem durch die gesteigerte Steifigkeit der Spindelmontage nun gelöst ist; das wird sich aber erst noch zeigen müssen.
Höhere Präzision durch bessere Maschinenlager und höhere Stabilität der Halterung

Schwache Argumente 🤔

Die Spindel ist deutlich leiser als mein vorheriger Fräsmotor.
Ich finde Drehstrom-Asynchronmotoren und ihr Betrieb über Frequenzumrichter (FU) super spannend.
Ich mag das schicke Aussehen der Spindel.
Ich habe mich über ein halbes Jahr lang mit den Leuten bei Spinogy unterhalten und verschiedene Lösungen diskutiert. Ich wollte sie am Ende nicht ohne Kauf zurücklassen.
Der Frequenzumrichter hat zusätzliche interne Sicherheitsmechanismen, die bei Auftreten eines Fehlers Beschädigung von Maschine bzw. Werkstück verhindern können

Gegenargumente 🤨

Schlechte Kosten-Nutzen-Bilanz: Die Maschine ist etwas vielseitiger und schneller geworden, die Kosten aber sind deutlich gestiegen
Aufwärmzeit der Spindel sind nun 30 Minuten, eine echt lange Zeit wenn man die Maschine nicht im täglichen Einsatz hat
Langwierige Einarbeitung in das Fachgebiet wird benötigt. Über 400 Seiten Frequenzumrichter- und Spindel-Handbücher waren zu lesen, Schaltpläne zu zeichnen und ein Schaltschrank aufzubauen.
Die Portalkonstruktion meiner CNC ist für leichte bis mittelschwere Zerspanungstätigkeiten gedacht. Wenn ich die Leistung der Spindel vollständig ausnutzen möchte, würde es die Maschine überlasten, insbesondere ihren Schwachpunkt, die Z-Achse.
Die Spindel wiegt das Dreifache verglichen mit dem Fräsmotor, den ich vorher im Einsatz hatte.
Die komplexere Ansteuerung per Frequenzumrichter fügt eine Menge potentieller Fehlerquellen hinzu.

Zusammenfassend kann ich sagen, dass die Spindel durch ihre hohe Leistungsfähigkeit nicht so richtig zum Rest des Systems passt und ihre Vorteile dadurch nicht zur Gänze ausspielen kann. Ich hoffe, dass ich die Kaufentscheidung nicht bald bereuen werde.

Automatischer Werkzeugwechsel?

Hätte ich einen gut laufenden Fachbetrieb, z.B. zur Herstellung von Produkten aus Holz, dann wäre ein Werkzeugwechsler sicher eine gute Investition.

Für die Prototypenherstellung hingegen trifft meine Hypothese hier noch immer zu. Ich benötige eine Menge verschiedener Fräser, da ich mit verschiedenen Materialien, Durchmessern und Typen experimentiere. Allein die Kosten für genügend Steilkegel-Werkzeughalter allein würden die der Spindel bereits übersteigen.

Stattdessen habe ich mir eine weitere Spindelmutter besorgt. Somit kann ich die Spannzangen meist in den Muttern belassen, was ein paar weitere Sekunden pro Wechselvorgang einspart.

Kosten 💶

Ich habe noch einige andere Entscheidungen getroffen um meinen nur gelegentlichen Betrieb der Maschine als Nebenerwerb zu berücksichtigen sowie die Kosten gering zu halten. Bei meiner Spindelkonfiguration habe ich die Option mit reduzierter Leistung gewählt und die Spezifikationen der Lager nicht erhöht (obwohl ich für kleine Fräser schon die 50.000U/min gebrauchen könnte), so dass die Maschine auf 30kU/min begrenzt ist. Ich habe Luftkühlung der wassergekühlten Variante vorgezogen und nicht in ein System zur kontinuierlichen Temperaturüberwachung investiert.

Dennoch betragen die Gesamtkosten des Systems mehr als das Doppelte der Spindelkosten. Obwohl der FU nicht allzu teuer ist, summieren sich abgeschirmte Motorkabel, Steckverbinder, Drehmomentschlüssel, Netzfilter, Spannzangen/Muttern, der Schaltkasten und viele zusätzliche Kleinteile ganz schön auf.

Informationsphase

Um die neue Spindel zum Laufen zu bringen, musste ich ein komplettes Subsystem planen, bauen und konfigurieren das Spindelantrieb, Kühlung und Hilfsstromversorgung umfasst. Aufgrund der Komplexität des Projekts habe ich meine Arbeit in verschiedenen, aufeinander aufbauenden Phasen durchgeführt. Ich begann mit der Informationsphase, in der ich mir einige Fragen beantworten musste, die ich im Folgenden erläutere.

Antrieb mit variabler Frequenz

Wie ich in diesem Artikel bereits schrieb, wird ein Frequenzumrichter zur Steuerung der Drehzahl einer HF-Spindel verwendet. Der Motor heißt so, weil er weit oberhalb der Netzfrequenz (in meinem Kontinent 50 Hz) arbeitet, um höhere Drehzahlen zu erreichen wie sie für meine Anwendungen oft erforderlich sind.

Um einige Fragen in der Tiefe beantworten zu können, telefonierte ich mit einem Experten von Omron (Hersteller von Frequenzumrichtern), Herrn Wagner.

U/f-Kennlinie" oder “sensorlose Vektorregelung”?

Wird die U/f-Kennlinie gewählt, reduziert der Frequenzumrichter die Spannung zusammen mit der Frequenz, solange der Motor unterhalb seiner Eckfrequenz arbeitet (die bei meiner Maschine 400 Hz beträgt). Das liegt daran, dass die Induktivität der Ständerwicklung mit niedrigerer Frequenz abnimmt. Das wiederum erhöht den Stromfluss durch den Stator, und damit steigen auch Drehmoment und Verlustleistung. Durch die Anwendung der U/f-Kennlinie wird der Strom und damit das Drehmoment letztlich konstant gehalten. Bei sehr langsamen Drehzahlen nimmt die Induktivität im Vergleich zum Statorwiderstand jedoch so sehr ab, dass das Drehmoment überproportional abfällt. Daher ist diese Option für den Betrieb im unteren Drehzahlbereich eine schlechte Wahl. An oder oberhalb der Eckfrequenz des Motors hingegen bleibt die Spannung stabil und nur die Frequenz wird erhöht, was das Drehmoment verringert.
Bei der “sensorlosen Vektorregelung” verwendet der FU ein mathematisches Modell des Motors den er antreibt. So können optimale Schaltzeiten für die Treiber erreicht werden und damit kann unabhängig von der Motordrehzahl immer das Nenndrehmoment (oder sogar mehr) zur Verfügung gestellt werden. Dies ist besonders nützlich für Anwendungen, die einen Schweranlauf erfordern wie z. B. Aufzüge usw. Das Modell des Motors wird zumeist über eine automatische Kalibrierroutine ermittelt, wobei die Antriebsmaschine mit dem FU verbunden sein muss.

Hier ist ein Link zu einem youtube-Video, in dem die beiden Optionen bei niedrigen Drehzahlen verglichen werden. Ein weiteres Video zeigt, wie der FU bei großer Last sogar mehr als das Nenndrehmoment des Motors zur Verfügung stellen kann.

Da die meisten der von mir verwendeten Schaftfräser eine Drehzahl von 15000 U/min oder mehr erfordern, werde ich die Nachteile der U/f-Kennlinie wahrscheinlich nicht spüren. Außerdem ist bei meinem FU die Option “sensorlose Vektorregelung” nur bis 400 Hz verfügbar, so dass ich nur 80 % des Drehzahlbereichs der Spindel nutzen könnte. Daher entscheide ich mich für die U/f-Kennlinie.

Auslauf, Bremswiderstand oder Energierückgewinnungssystem?

Zum Abbremsen des Motors kann der Frequenzumrichter mit verschiedenen Optionen konfiguriert werden. Wenn der Motor per Standardeinstellung im Freilauf ausläuft, kann es lange dauern, bis die Spindel bei voller Drehzahl zum Stillstand kommt.

Wenn ein Bremswiderstand konfiguriert wird wie ich es bei meiner Anwendung mache, benötigt das Abbremsen nur zwei Sekunden. Ich habe außerdem eine Gleichstrombremse konfiguriert, sodass die Welle vollständig zum Stillstand gebracht wird.

Für leistungsstärkere Maschinen oder Anwendungen, bei denen große Massen bewegt werden, kann ein Energierückgewinnungssystem sinnvoll sein. Es wird an den Zwischenkreis des FU angeschlossen und ist in der Lage, die durch die überschüssige Bewegungsenergie des Motors erzeugte Leistung ins Netz zurückzuspeisen. Um diese Funktion zu nutzen, ist ein zusätzliches Gerät erforderlich und die Kompatibilität des FU-Zwischenkreises mit diesem Einspeisewandler muss sichergestellt werden. Die hohen Systemkosten zahlen sich nur aus, wenn große Energiemengen zurückgewonnen werden können.

Welche Modulationsfrequenz bzw. Taktfrequenz sollte ich verwenden?

Die Takt-/Modulations-/Trägerfrequenz ist die Häufigkeit, mit der die Leistungstransistoren im FU schalten, um eine sinusähnliche Ausgangsspannung für den Motor zu liefern. Bei meinem FU kann sie in einem Bereich von 2-15kHz konfiguriert werden.

Um eine optimale Frequenz zu wählen, muss ein Gleichgewicht zwischen mehreren Faktoren gefunden werden:

Die Schaltverluste der Transistoren steigen bei höheren Frequenzen.
Die Durchlassverluste von Transistoren nehmen bei niedrigeren Frequenzen zu.
Das menschliche Ohr ist besonders empfindlich im Bereich von 2-5kHz.
Resonanzfrequenzen des Motorsystems sollten vermieden werden.
Elektromagnetische Störaussendungen nehmen bei höheren Frequenzen zu.

Wenn der Motorhersteller eine Empfehlung für die Modulationsfrequenz abgibt, sollten diese natürlich befolgt werden. Ich habe mit verschiedenen Werten herumgespielt und mich für 5kHz als guten Kompromiss zwischen den oben genannten Faktoren entschieden. Ich hatte auch den Eindruck, dass dieser Wert bei meiner Maschine besser klang als 6 oder 4 kHz.

Kann ich die Luftkühlung in Abhängigkeit von der Spindeltemperatur steuern?

Ja, das ist möglich. Alles, was dafür benötigt wird ist ein kontinuierlicher (nicht schaltender) Temperatursensor, z. B. ein PT100 oder ein anderes Thermoelement, ein Messwertgeber und ein freier Analogeingang am Frequenzumrichter. Dieser wird so konfiguriert, dass er über eine Fensterfunktion einen der freien digitalen Ausgänge ansteuert, der wiederum ein Relais schaltet, an das der Lüfter angeschlossen werden muss.

Meine Spindel ist leider mit einem schaltenden Thermistor ausgestattet, der über einen Temperaturalarm-Eingang mit dem FU verbunden ist. So kann er das System bei Überhitzung abschalten. Er ist aber nicht für eine kontinuierliche Temperaturüberwachung/-steuerung des Lüfters geeignet.

Reicht eine Spannung von 18 V aus, um an einem 24 V-Digitaleingang “High”-Signalpegel zu erkennen?

Ja, bei meinem FU konnte ich eine niedrigere Spannung als die angestrebten 24 V an einen Logikeingang anlegen und trotzdem wurde der Pegel HIGH erkannt.

Kann ich den logischen Masseanschluss des FU ohne Probleme an die Masse meiner Gleichstromversorgung anschließen?

Ja. Muss man sogar. Der ‘Run’-Ausgang meiner CNC ist potenzialfrei. So musste ich die positive Steuerspannung des FU auf den Kontakt legen und dessen Ausgang mit dem ‘Run’-Eingang des FU verbinden. Der Stromkreis ist aber nur dann geschlossen, wenn im FU-Schaltschrank Logik-Masse und DC-Masse verbunden werden. Auch die analoge Ausgangsspannung meiner CNC zur Steuerung der Spindeldrehzahl muss dieselbe Erdungsreferenz wie der FU verwenden, also ist sie ebenfalls mit der logischen Masse des FU verbunden. Der Schaltplan zeigt diesen Sachverhalt an der Masseverbindung von T1

Was muss ich hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit beachten?

Netzfilter zwischen Netzschalter und FU verwenden (Das ist in Deutschland sogar Vorschrift).
Abgeschirmte Kabel für den angeschlossenen Motor verwenden.
Die Motoranschlussleitung so kurz wie möglich halten.
Müssen doch lange Leitungen verwenden (>10m), HF-Rauschfilter bzw. Drossel einbauen.
Abschirmung zusammen mit den Schutzerdungsleitungen des Motors an die Schutzerdungsplatte des FU anschließen.
Sicherstellen, dass die Abschirmung einen leitenden Kontakt zu den Kabelsteckern herstellt.
Durchgangsprüfung nach DIN VDE 0701-0702 durchführen.
Vergewissern, dass der Schaltkasten über eine zentrale Schutzerdungsklemme verfügt, an die jedes Gerät innerhalb des Schaltkastens angeschlossen wird.
Vergewissern, dass die Schutzerde der Netzversorgung ebenfalls an diese Klemme angeschlossen ist.
Bei der Verkabelung des Schaltkastens die Motorzuleitung so weit wie möglich von den Signalleitungen entfernt verlegen.
Zur Reduktion elektromagnetischer Störabstrahlung sind Schaltkastengehäuse aus Metall solchen aus Kunststoff vorzuziehen. Zumindest ist eine metallische Trägerplatte zu verwenden, auf der alle Komponenten montiert werden.

Spindel

Um die passende Spindel für Ihre Maschine und Anwendung auszuwählen, gibt es - unabhängig vom Motortyp - einige Punkte zu beachten.

Leistung

Die Spindelleistung ist vielleicht weniger wichtig als gedacht. Hier mache ich ein paar Beispiele zur Orientierung.

<=400W HF-Spindel oder <=800W Oberfräsenmotor: Für eine Hobby-Maschine, die nicht unbedingt mit hohen Vorschüben betrieben werden kann. Bei schwerer zu schneidenden Materialien wie Aluminium oder HPL reicht eine geringe oder mittlere Schnitttiefe pro Durchgang aus. Der Maschinenrahmen wiegt weniger als 60 kg und ist für sein Gewicht relativ groß, z.B. bei einer Arbeitsfläche von >0,5 m².
<=700W HF-Spindel oder <=1200W Oberfräsenmotor: Die Maschine wiegt mehr oder ist steifer als die oben genannte Option. Häufig werden Fräser mit einem Durchmesser um die 6mm verwendet oder es muss viel mit Planfräsern gearbeitet werden. Die Z-Achse der Maschine ist kräftig ausgelegt und man hat das Gefühl, dass die Maschine bei 3000mm/min, Z+6mm und einem 6mm Fräser locker mit Hartholz zurechtkommt.
1,1kW/1,5kW HF-Spindel: Eine kompakte, schwerere Maschine (ca. 500x500mm Verfahrweg bei 100kg Gewicht), die Aluminium oder Holz mit höheren Vorschubgeschwindigkeiten schneiden soll. Bei der Bearbeitung von Holz verwenden Sie häufig Schruppfräser, um Zeit zu sparen. Die Maschine kann höhere Beschleunigungen und schnelle Bewegungen bewältigen (z.B. 1000mm/s² und 300mm/s).
>=2,2kW: Sie haben den Hobbybereich verlassen - wahrscheinlich für immer - sowohl mit Ihrer Maschine als auch mit dem Auftragsbestand, der sich auf Ihrem Schreibtisch angesammelt hat. Sie haben eine Werkstatt, eine professionelle Staubabsaugung und eine schwerere Maschine, der Sie zutrauen, den ganzen Tag lang ohne intensive Überwachung zu laufen. Vielleicht betrachten Sie diesen Blog als “nicht anspruchsvoll genug” und machen sich auf zu neuen Ufern, wo man Ihnen als Profi wirklich helfen kann.

Gewicht

Das Gewicht hängt von der Leistung ab. Ein 800-Watt-Motor für eine Oberfräse kann einschließlich Halterung unter 2 kg wiegen, während eine 2,2-kW-HF-Spindel mit automatischem Werkzeugwechsel ohne Werkzeughalter 6,5 kg oder mehr auf die Waage bringt. Auch Halterung und Leitungen werden tendenziell größer. Ein hohes Spindelgewicht kann sich vor allem bei leichten Maschinen negativ auswirken. Im Extremfall kann sich die Z-Achse nach unten bewegen, wenn die Schrittmotortreiber inaktiv sind. Die Maschinenbeschleunigung, insbesondere an der Portalbewegungsachse, muss möglicherweise reduziert werden, damit keine Schritte verloren gehen. Es ist zu bedenken, dass schwerere Spindeln in der Regel voluminöser sind, so dass sich die Schnittkräfte aufgrund einer größeren Hebelwirkung ungünstig auf die Z-Achse auswirken können.

2-polige oder 4-polige Ausführung?

Wird insbesondere bei niedrigen Drehzahlen ein hohes Drehmoment benötigt, sollten Sie sich für eine 4-polige Ausführung entscheiden. Dann wird allerdings die doppelte Frequenz benötigt, um die gleiche Drehzahl wie bei einem 2-poligen Motor zu erreichen. Wird die Maschine häufig mit hohen Drehzahlen betrieben, sollte stattdessen eine 2-polige Spindel Anwendung finden.

Wasser- oder luftgekühlt?

Auch dies ist eher eine Frage der Kosten und der Professionalität als alles andere. Natürlich funktioniert die Selbstkühlung durch einen auf der Welle fest montierten Lüfter gut. Eine Fremdkühlung per Lüfter ist etwas teurer, aber auch leiser. Ihr Hauptvorteil besteht darin, dass die Spindel unabhängig von ihrer Drehzahl nicht zu warm wird.

Eine Wasserkühlung führt die Wärme nochmal deutlich effizienter aus dem Motor ab, und die hohe Wärmekapazität des Wassers führt zu homogenen Temperaturen in der gesamten Spindel. Sie dämpft die Vibrationen und ist die leiseste Kühlungslösung von allen. Andererseits ist das System viel teurer, komplexer, benötigt mehr Platz für Pumpe, Kühler und Ausgleichsbehälter usw. und muss öfter gewartet werden.

Die Planungsphase

Nachdem die Handbücher aller bestellten Teile überflogen waren, konnte ich einen schematischen Schaltplan für das Spindel-Subsystem zeichnen.

Oben ist der Frequenzumrichter mit seinen Klemmen zu sehen. X1 ist der Netzstromeingang mit dem Trennschalter S2. X2 verbindet die Spindel mit dem FU und X3 ist der Signalanschluss für die CNC. Rechts unten befindet sich die Gleichstromversorgung T1, die die Luftkühlung versorgt und die logische Spannungsschiene bereitstellt. Die Temperatur des Spindelmotors M1 wird durch den Thermistor R3 überwacht (hier habe ich vergessen, die Beschriftung hinzuzufügen). Der Spindelkühlmotor M2 wird durch ein Zeitrelais gesteuert, das wiederum durch das “RUN”-Signal gesteuert wird. Ein digitaler Mehrzweckausgang ist mit einer roten LED D1 verbunden, die so konfiguriert ist, dass sie aufleuchtet, wenn eine Überlastwarnung vorliegt.

Der Schaltplan ist ziemlich einfach gehalten. Deshalb habe ich keine Zeit in saubere Zeichnungen investiert. Um es noch authentischer aussehen zu lassen, habe ich etwas ☕ auf das Papier verschüttet.

Dies ist die Pinbelegung des Spindelsteckers X2 und des entsprechenden Anschlusses am FU. Sie war mehrmals nützlich, als ich dem abgeschirmten Motorkabel (orangefarben, siehe Bannerbild oben) Steckverbinder hinzufügte sowie während der Geräteprüfung.

Ich notiere mir stets das erforderliche Anzugsdrehmoment für jede Schraube, einschließlich der für die Klemmen, und lege die benötigten Werkzeuge vor Baubeginn bereit.

Die Bauphase

Schaltschrankbau für den Umrichter der Spindel↗

Inbetriebnahme

Vor Inbetriebnahme war der Testplan abzuarbeiten. Danach war der Spindel-Fettverteilungslauf gemäß Anweisungen des Herstellers zu starten. Schließlich kalibrierte ich den Analogausgang “0-10V” in der CNC-Software, um die Frequenz des Frequenzumrichters mit der Drehzahl der Spindel abzugleichen. Beispiel: S10000 sollte 3,33V am Ausgang erzeugen und den FU mit einer Frequenz von etwa 175Hz laufen lassen, um den Schlupf zu berücksichtigen.

Um zu sehen, dass das System wie vorgesehen funktioniert, habe ich ein paar Testläufe gemacht: 8mm PMMA, Vollnut, einmaliger Durchlauf in Z+=8mm, 4mm Einschneider (poliert) Hartmetallfräser bei S=26kUPM und F=3000mm/min.

Die Analysephase

Diese Phase wird später folgen, vielleicht ein Jahr nach der Arbeit mit der neuen Spindel. Ich werde mir Folgendes ansehen:

Hat sich die Investition gelohnt (etwa 8x teurer als ein Oberfräsenmotor)?
Habe ich die zusätzlichen Möglichkeiten (höhere Leistung und mehr Drehzahl) genutzt?
Erzielt sie spürbar bessere Ergebnisse?
Ist sie zuverlässiger und wartungsärmer als mein bisheriger Motor?

Aber was ich schon jetzt sagen kann: Ich habe viel gelernt. Es hat Spaß gemacht, das System zu entwerfen, zu verkabeln und einzurichten. Und es war aufregend zu sehen, dass es tatsächlich so funktioniert, wie ich es mir vorgestellt habe 🙂.

Spirograph

Schallbert — Mon, 01 Jan 0001

Der Spirograph

Spirographen sind mathematische Spielzeuge. Mit ihrer Hilfe kann man ganz leicht sich wiederholende Kurven zeichnen. Die einfachste Version besteht aus einem Zahnrad, das auf der Innenseite eines feststehenden Zahnkranzes läuft. Das Zahnrad hat ein paar Löcher, in die die Spitze eines Stiftes passt. Die Löcher befinden sich außerhalb der Mitte des Zahnrads, so dass beim Drehen des Rads im Inneren des Hohlrads parabolische Formen entstehen.

Die Anzahl der Umdrehungen, die nötig sind um eine geschlossene Form zu zeichnen, hängt vom Verhältnis der Zahnanzahl zwischen den beiden Zahnrädern ab.

Version 0

Der erste Entwurf haben wir gemeinsam mit den Jungs von CADasCAM in der Werkhalle erstellt. Es handelt sich um eine 14:9-Zahnkombination. Das kleinste gemeinsame Vielfache (auch KGV genannt) der beiden Zahnräder beträgt 126, was zu Zeichnungen mit vielen (126 / 9 = 14) Kanten führt. Wir entschieden uns für Aluminium als Material.

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Fräsen von Spirograph_V0 auf einer übertakteten CompactLine CNC

Die Fertigung war erfolgreich und die Räder ließen sich von Zahn zu Zahn platzieren aber leider nicht drehen, weil der nächste Zahn des inneren Zahnrads nicht auf die Flanke, sondern auf den Kopf des Hohlradzahns traf. Die Krümmung des Hohlrads hatten wir nämlich nicht berücksichtigt, sodass die langen Zahnköpfe zu eng zusammen standen.

Version 1

Als der Workshop vorbei war, nahm ich den Entwurf mit nach Hause und versuchte ihn zu verbessern. Ich kürzte die Zahnköpfe des Hohlrads, um das vorherige Problem zu beheben und fügte Verrundungen hinzu, damit die Zahnräder nicht so schwergängig ineinander griffen.

Ich habe den Entwurf in 18mm Buche Leimholz gefräst. Ich verwende eine zweiseitige Bearbeitung, weil sich das Anfasen von Hand auf der Rückseite bei diesen komplexen Formen als etwas mühsam erwies. Dazu schneide ich nicht komplett durch das Material, sondern lasse unten eine 1mm dicke “Zwiebelhaut” stehen, die alles an ihrem Platz hält für den zweiten, rückseitigen Bearbeitungsvorgang.

Danach wird das Werkstück gedreht, sodass die Unterseite oben ist. So können die Kanten der Unterseite abgeschrägt werden. Dabei durchbohrt der Fräser die “Zwiebelhaut” und schneidet die Werkstücke praktisch aus dem Rohmaterial heraus, sodass ich sie nur noch vom Maschinenbett nehmen muss. So waren nur die Grate abzuschleifen, was weniger als fünf Minuten manuelle Nacharbeit erforderte.

Aber es passte immer noch nicht. Diesmal, weil die Flanken des inneren Rades zu breit waren. Das hatte zur Folge, dass sie nicht die volle Eingriffstiefe zuließen was wiederum dazu führte, dass der nächste Zahn des Innenrads erneut auf den Zahnkopf des Zahnkranzes traf.

Version 2

Ich habe herausgefunden, dass in Version_1 das kleine Zahnrad eine positiven “Zahnprofilverschiebung” hatte, während der Innenkranz auf Null belassen wurde. Das konnte überhaupt nicht funktionieren, also habe ich es korrigiert. Ich habe auch die konkaven Radien beider Räder größer geplant, sodass ein 6mm-Schaftfräser in der Lage sein würde, alle Details richtig herauszuarbeiten. Schließlich fügte ich etwas Spiel für die Zahnflanken hinzu und sorgte für mehr Platz am Zahnfuß, damit die Zähne besser ineinander greifen.

Um dem inneren Rad mehr Platz zu geben, habe ich die Zahnradkombination auf 16/7 verändert, was dann 112 / 7 = 16 Schleifen zeichnen wird (noch engere Darstellung), bevor sich das Muster wiederholt.

Diesmal habe ich es aus 5mm extrudiertem Acryl (PMMA), opak weiß, gefertigt. Ich wählte eine ähnliche zweiseitige Frässtrategie wie oben beschrieben, fügte aber einen Schlichtlauf hinzu, um die Kantenqualität zu verbessern. Folgende Parameter kamen zur Verwendung:

Fräser, Material: PMMA (Acryl)	Werkzeugtyp	Zahn	Durchmesser [mm]	Drehzahl [U/min]	Vorschub [mm/min]	Z+ [mm]	XY+ [mm]
VHM-Habichtschnabel FSECO1	Schruppen	1	4	24000	3000	8	3,6
FSAC Acrylschneider poliert	Schlichten	1	4	26000	3000	8	0,2
Hartmetall Kegel 90° FEF	Fasen	3	10	15000	5000	3	3

Und es funktionierte einwandfrei 😄. Die Schnittqualität war sehr gut. An manueller Nacharbeit blieb mir weniger als eine Minute Arbeit zum Entgraten.

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Aktualisierte Zahnparameter ermöglichen reibungslosen Eingriff

Aber es gab noch Raum für Verbesserungen:

Löcher direkt in den Zähnen machen keinen Sinn, weil sich das innere Rad bei Eingriff dieses Zahns nicht mehr durch den Stift weiterdrehen lässt
5mm Löcher sind etwas zu klein, um alle Arten von Buntstiften unterzubringen
16 Zähne modul10 sind nicht genug, um ein DIN A4-Papier zu füllen
Die elliptische Form sieht schön aus, ist aber etwas schwer festzuhalten

Deshalb habe ich einen weiteren Schritt in der Entwicklung gemacht:

Version 3

Eine kleine Aktualisierung gegenüber Version_2, dieses Mal mit einer 18/10-Paarung (KGV von 90, also 9 Schleifen pro Durchlauf). Ich habe die Lochabstände in Form einer Fibonacci-Spirale überarbeitet, um ausdrucksstärkere Designs zu erzeugen. Schließlich habe ich den Umriss an die Größe von DIN A4-Papier angepasst, so dass die Entwürfe nun zentriert sind.

Für die Herstellung habe ich dieselben Parameter wie bei der vorherigen Version verwendet. Wie gut das Ergebnis geworden ist! Ich frage mich, ob ich die letzten 5% an Qualität herausholen kann, indem ich die Grate ganz vermeide. Der Grat entsteht, wenn der konische Fräser die Unterseite des Materials durchsticht, um den endgültigen Ausschnitt auf meinem Vakuumtisch herzustellen. Ich muss also in Zukunft etwas “tiefer” fräsen als das verbliebene Material stark ist. Der Hersteller der Fräser empfahl mir im Nachgang, Vorschub und Drehzahl bei Arbeit in Acrylglas für die Fasenfräser zu senken, wenn der Zielvorschub wegen ständiger Beschleunigungs- und Abbremsvorgänge nicht erreicht werden kann.

Außerdem ist mir aufgefallen, dass die Maschine Rattermarken erzeugt, wenn sie bei “G01”-Bearbeitungen auf die Zielgeschwindigkeit beschleunigt. Ich vermute, dass dies auf die begrenzte Steifigkeit des Rahmens zurückzuführen ist. Es ist nur unter einem bestimmten Winkel sichtbar, aber nicht spürbar.

Das fertige Produkt sieht dann so aus. Durch die Fasen und abgerundeten Kanten liegt es sehr angenehm in der Hand. Die Zahnräder laufen mühelos und die 18/10-Zahnradkombination hat so viele Zähne, dass auch Kinder kein Problem damit haben, die Formen herzustellen (ausprobiert).

Und schließlich bin ich auch damit zufrieden, wie die Zeichnungen aussehen. Mit kräftigen Strichen und groß genug (15x15cm). Die Linien stehen nicht zu eng zusammen. Die höhere Anzahl von Löchern, die das größere innere Rad erlaubt, hilft auch dabei, eine größere Vielfalt an Figuren zu erzeugen.

Ich habe die Versionen 2 sowie 3 einer nahegelegenen Schule sowie einem Kindergarten gespendet. Bin gespannt, wie sie im Alltag damit zurechtkommen.

Lust auf einen Nachbau bekommen?

Das ist kein Problem. Hier steht ein ZIP-Ordner zum Download bereit.

Was ist im Ordner enthalten?

CADasCAM Projekt, das alle Arten von Zahnradpaarungskonfigurationen ermöglicht
Zeichnungsdateien (DXF) für das Fräsen von Vorder- und Rückseite
EstlCAM Projektdateien zusammen mit meiner Werkzeugdatenbank
CNC-Betriebsdateien (tap), die zu meiner Maschine passen
Ein Readme (txt), das den XY-Nullpunkt und die erforderlichen Offsets definiert

Kostet es etwas?

Nein. Beachten Sie, dass die von mir verwendete Lizenz das Paket zu “freier Software” macht. Bitte kontaktieren Sie mich jedoch, falls Sie die Entwürfe gewerblich verwenden möchten.

Haftungsausschluss

Wie üblich stehen die Dateien kostenlos zum Download zur Verfügung. Im Gegenzug übernehme ich keine Verantwortung oder Haftung für deren Inhalt.

WARNUNG ⚠️

Diese Dateien bieten oder ermöglichen die Ausgabe von G-Code-Anweisungen für echte Maschinen, die in der physischen Welt tatsächlich Dinge tun. Es könnten Code-Fehler oder Bugs enthalten sein, die möglicherweise zu Maschinenabstürzen oder Schlimmerem führen können. Ich übernehme keine Haftung für Arbeitsunfälle, Systemausfälle, Geräteausfälle, Produktionsausfälle, Ablaufstörungen oder andere negative Auswirkungen, die durch die von mir zur Verfügung gestellten Dateien verursacht werden könnten.

HINWEIS ℹ️

Es liegt in der Verantwortung des Maschinenbetreibers, den G-Code sorgfältig zu prüfen und sicherzustellen, dass er auf der jeweiligen Maschine wie vorgesehen funktioniert und keinen Schaden verursacht.

Parameter	Wert
Auszugsparameter \( f_{ax,k} \)	14 N/mm²
Torsionsfestigkeit \( f_{tor,k} \)	3 Nm
Einschraubdrehmoment \( R_{tor,mean} \)	\( \frac{f_{tor,k}}{R_{tor,mean}} \) ≥ 1,5
Vorbohren in Nadelholz	2.5 mm
Vorbohren in Laubholz	3 mm