3-Achs CNC Fräse

Zur Fertigung von Prototypenteilen sind CNC Maschinen heutzutage unabdingbar. Professionelle Industriemaschinen sind allerdings relativ teuer und dadurch bei geringer Auslastung im Prototypenbau entweder unwirtschaftlich oder sie treiben den Prototypenpreis unnötig in die Höhe.

Günstige Hobbygeräte bzw. Bausätze sind zwar inzwischen auch sehr verbreitet, viele davon sind aber leider qualitativ kaum zu gebrauchen. Um speziell unseren Anforderungen bezüglich Genauigkeit, Qualität und Baugröße möglichst nahe zu kommen und Erfahrung im Bau von CNC Maschinen zu erlangen, haben wir deshalb selbst eine Maschine konstruiert und aufgebaut. Im Folgenden die Merkmale auf die wir unser Hauptaugenmerk gelegt haben.

Der Maschinenrahmen

Der Preis von hochwertigen Industrieanlagen hat natürlich seinen Grund. Will man eine Anlage mit einem Bruchteil des Budgets aufbauen, muss man deshalb gewisse Abstriche machen. Verzichtet man auf die Bearbeitung von sehr festen Materialien wie Stahl, wird kein schweres Maschinenbett aus Gusseisen benötigt, welches eine hohe Steifigkeit vorweist und die Dämpfung von Schwingungen begünstigt. Zur Fertigung von Teilen aus NE-Metallen, Kunststoffen oder Holz ist ein Maschinenbett aus Aluminiumprofilen ausreichend. Weiterhin arbeiten wir mit relativ hohen Drehzahlen, angelehnt an die Hochgeschwindigkeitszerspanung, um die Schnittkräfte gering zu halten und dadurch ein Aufschwingen zu unterbinden.

Der Aufbau aus Aluprofilen bringt außerdem weitere Vorteile, die Zeit und Geld sparen. Die Profile müssen nicht gefräst und überschliffen werden, da sie bereits eine geeignete Geradheit und Ebenheit für die Linearführungen mitbringen. Durch die Verschraubung der Profile lassen sich Justierungen einfach vornehmen und es kommt nicht zum Verzug, wie beispielsweise bei geschweißten Rahmen. Der relativ leichte Aufbau lässt sich mühelos ohne schweres Gerät an den Aufbauort bringen.

Der Bearbeitungsraum der Anlage wurde auf 1200mm x 800mm x 400mm festgelegt. Dadurch ergab sich der Querschnitt von 50 mm x 100 mm der Aluprofile. Der Aufbau wurde in Portalbauweise realisiert, welche in diesem Segment aufgrund der guten Steifigkeit häufig Anwendung findet.

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Antrieb

Zur Bewegung der drei Achsen kommen Linearführungen in Kombination mit Kugelumlaufspindeln und Servomotoren zum Einsatz. Um eine höhere Genauigkeit sowie bessere Verwindungssteifigkeit des Portals zu erreichen, werden bei der X-Achse zwei Antriebsspindeln eingesetzt, die über einen Zahnriemen mit einem Servomotor angetrieben werden. Kugelumlaufspindeln bieten im Vergleich zu den häufig verwendeten Trapezgewindespindeln eine höhere Positionier- und Wiederholgenauigkeit, sowie eine größere Belastbarkeit.

Für den Antrieb wurden bürstenlose Servomotoren der Firma Tecnik ausgewählt, welche die Vorteile von Schrittmotoren mit den Vorteilen von Servomotoren vereinen. Hier die Hauptvorteile:

• einfach zu verwenden, durch integrierte Steuerung mit Autosetup Funktion für PID-Regler
• Ansteuerung über Step und Dir, äquivalent zu Schrittmotoren
• Hohes Drehmoment, hohe Geschwindigkeit und Genauigkeit bei geringen Vibrationen
• relativ kostengünstige Servo-Lösung

Steuerung

Zur Ansteuerung haben wir uns für einen Beaglebone Black von Texas Instruments entschieden, da dieser zwei unabhängige programmierbare Echtzeiteinheiten mitbringt. Darauf lauft LinuxCNC, ein kostenloses, Open-Source (GNU) Linux-Softwaresystem, das numerische Steuerungsmöglichkeiten zur Steuerung von CNC-Maschinen implementiert. Die Verwendung von OpenSource Lösungen erspart wiederum die Anschaffung teurer kommerzieller Lösungen. Die Programmierung erfolgt entweder direkt mittels G-Code oder bei Aufwändigeren Bauteilen durch OpenSource Software, wie z.B. FreeCAD.

Spindel

Als Frässpindel kommt eine relativ preiswerte Kress FME-1050 mit 5000 – 25000 U/Min zum Einsatz. Die Drehzahleinstellung sowie der Werkzeugwechsel erfolgen hierbei manuell. Da wir nicht auf Durchsatz optimieren wollen, ist diese Einbuße akzeptabel. Durch die „Vollwellenregelelektronik“ für konstante Leistung und Drehzahl eignet sich diese Spindel gut für CNC Maschinen. Geschaltet wird die Spindel über ein Solid State Relais.

Schmierung

Bei der Metallbearbeitung ist der Einsatz von Kühlschmiersystemen von großem Vorteil. Die klassische Methode basiert auf der Verwendung von großen Mengen Kühlschmiermittel, welches mittel Pumpe großflächig über Werkzeug und Werkstück fließt. Dazu ist eine Auffangwanne erforderlich und das Schmiermittel muss regelmäßig getauscht werden.

Um diesen Aufwand zu umgehen werden gerne Minimalmengenschmiersysteme eingesetzt. Dabei wird mit Druckluft Schmiermittel zerstäubt und in geringen Mengen direkt an die Kontaktstelle zwischen Fräser und Werkstück gesprüht. Dadurch wird die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück verkleinert, wodurch weniger Wärme entsteht. Außerdem wird durch den Luftstrahl nicht nur gekühlt, sondern es werden auch Späne aus dem Bearbeitungsbereich befördert. Die Mengen an Schmierstoff sind dabei so gering, dass ein Auffangen des Schmiermittels entfällt.

Zu beachten ist, dass billige Systeme zu starker Nebelbildung tendieren. Wir haben uns für das Sprühsystem Fogbuster der Firma Tormach entschieden, welches durch ein spezielles Sprühverfahren sehr wenig Nebel erzeugt.

Absaugung

Bei der Trockenbearbeitung von beispielsweise Kunststoffen verwenden wir zur Absaugung einen klassischen Industriesauger aus dem Schreinerbedarf.

Vor- und Nachteile

Aufgrund der geringeren Steifigkeit im Vergleich zu Industriemaschinen für die Serienfertigung können bei größeren Werkzeugdurchmessern nicht so hohe Vorschubgeschwindigkeiten realisiert werden, was für die Prototypenbau jedoch keine große Rolle spielt. Die Fertigungsgenauigkeit liegt im Bereich der Allgemeintoleranzen nach ISO 2768-1 Fein, was für viele Zwecke mehr als ausreichend ist. Der Hauptvorteil der Anlage liegt im geringen Anschaffungspreis. Dadurch war es für uns möglich ein Gerät im Haus zu haben, dass nicht rund um die Uhr ausgelastet sein muss um Wirtschaftlich zu sein und zu jeder Zeit bereit steht um bei Bedarf direkt Teile fertigen zu können. Weiterhin ermöglicht das geringe Gewicht ein Aufstellen an Orten, an denen keine schwere Industrieanlage positioniert werden könnte.