Endmills on Schallberts Blog

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.

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. ↩︎

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. ↩︎

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.

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.

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.