Material on Schallberts Blog

Edelstahl V2a bzw. AISI304 gravieren

Schallbert — Sun, 08 Mar 2026 00:00:00 +0000

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 aufwändigeren 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 ↩︎

Stahlblech (SECC) bearbeiten

Schallbert — Mon, 22 Dec 2025 00:00:00 +0000

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 00:00:00 +0000

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.

Your browser does not support the video tag.

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.

Your browser does not support the video tag.

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).

Graustufenbilder auf Dibond

Schallbert — Tue, 25 Feb 2025 00:00:00 +0000

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 00:00:00 +0000

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 00:00:00 +0000

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 00:00:00 +0000

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

Update Fräsparameter

Nach ein paar Rückfragen in verschiedenen Foren zum Thema habe ich neue Erkenntnisse gewonnen, die meine Fräsparameter für zukünftige Projekte nochmal deutlich verändern werden. Diese lauten:

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.

Your browser does not support the video tag.

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. ↩︎

Dibond Tests

Schallbert — Fri, 10 Mar 2023 00:00:00 +0000

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.

Update Okt-23: Ich habe mit denselben Graviersticheln - Sie sind inzwischen ca. 4h gelaufen - etwas in Acrylglas (PMMA) gefertigt. Die Schnittkanten sind hier rauer als bei brandneuen Gravierfräsern.

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 00:00:00 +0000

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.

CNC 'Opferplatte'

Schallbert — Mon, 01 Jan 0001 00:00:00 +0000

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 00:00:00 +0000

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.

Your browser does not support the video tag.

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 😥. ↩︎

Spirograph

Schallbert — Mon, 01 Jan 0001 00:00:00 +0000

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.

Your browser does not support the video tag.

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.

Your browser does not support the video tag.

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.

Update

Ein paar weitere sehr schöne Spirographen habe ich Anfang 2024 für die Maker Faire angefertigt. Das Grundmaterial ist mitteldichte Faserplatte (MDF), auf welche ich eine Lage Olivenholzfurnier aufgebracht habe.

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

Material on Schallberts Blog

Edelstahl V2a bzw. AISI304 gravieren

Warum dieser Versuch?

Das Material

Das Werkzeug

Diskussion um Fräsparameter

Einfluss der Maschinenkinematik

Vorbereitung des Gravurvorganges

Durchführung

Ergebnis

Stahlblech (SECC) bearbeiten

Das Werkstück

Die Aufgabe

Die Gegebenheiten

Werkzeug1: 3mm-Bohrer

Bohrparameter

Bohrvorbereitung

Das Ergebnis

Problemanalyse

Die Lösung

Werkzeug2: 6mm VHM-Fräser

Bearbeitungsvorgang

Schnittqualität

Albasia-Holz fräsen

Was ist Albasia?

Mit Sandwichtechnik zu guten Materialeigenschaften

Sind Albasia-Verbundplatten für den Außenbereich geeignet?

Verschraubungen

Albasia auf der CNC-Fräse

Mit welchen Fräsern gelingt die Bearbeitung?

Welche Parameter?

Schlichtgang

Gravuren

Mit Farbe arbeiten

Welcher Lack?

Zu beachten: Schutzfolie

Fazit: Albasia für was?

Graustufenbilder auf Dibond

Bloglogo als Punktwolke

Simulation Radienfräser

Fräsvorgang

Beobachtungen

Fazit

Saturn als ASCII-Art

CAD/CAM

Fertigung

QR-Codes

Auf der Hobbyline

Auf der Basicline

Fazit

Graustufenbilder mit der CNC fräsen

Das Ziel

Ein wenig Farbwissen: Rasterverfahren

Halftones (Halbtonbild)

Dithering

Materialauswahl

Geeignete Materialien 👍

Ungeeignete Materialien 👎

Halbtonbilder: Anforderungen an die CNC

Wellen/Striche/Linien

Punktverfahren

Labyrinth/Liniensegmente

CNC-Werkzeuge

Herstellung

Bildvorbereitung

Wie man zu guten Ergebnissen kommt

CNC-Durchlauf

Mehrfarbige Gravuren

Die Projektidee

Vom .jpg nach .svg

Bildaufbereitung

Pfadkonversion

Pfadplanung im CAM

Job1: “rote” Bereiche

Job2: “schwarze” Bereiche

Durchführung

Rote Flammen

Schwarze Tannen

Video der 3D-Gravur

Was noch besser werden könnte

Vom `.jpg` nach `.svg`