CNC-Fräse

Bau einer Mini-CNC-Fräse - Teil 2

Im ersten Teil habe ich von meinen Erfahrungen mit dem Aufbau eines günstigen Bausatzes für eine CNC-Fräse berichtet. Im Folgenden geht es nun um meine Anpassungen am ursprünglichen Aufbau und meine ersten Ergebnisse.

Anpassung des Rahmens

Wie ich im ersten Teil zur CNC-Fräse schrieb, war in der ursprünglichen Konstruktion bei Verwendung des Spannzangenfutters ein zu geringer Abstand zwischen Spindel und Frästisch. Um den Fahrweg in Z-Richtung komplett nutzen zu können und auch höhere Werkstücke bearbeiten zu können, habe ich die senkrechten Streben entsprechend verlängert.
In diesem Zuge habe ich dann gleich auch die mitgelieferten Kunststoffwinkel in den Ecken des vorherigen L-förmig aufgebauten Rahmens entfernt und die gesamte Konstuktion dahingehend ergänzt, dass ich nun einen quaderförmigen Aufbau habe.
Die Aluprofile (OpenBuild Linearprofil V-Slot) gibt es günstig im Internet zu bestellen.

Montage Endschalter

Beim Arbeiten mit der Fräse passiert es schnell mal, dass man die maximalen Wege in X-oder Y-Richtung überschreitet. Um Motoren und Gestänge zu schonen, habe ich daher Endschalter an alle drei Bewegungsachsen angebracht.
Zur Montage der Mikroschalter klebte ich diese mit Zweikomponentenkleber auf ein Stück Aluminiumprofil. Dieses konnte ich dann einfach am Rahmenprofil der Fräse anschrauben. Für die X- und Y-Achsen habe ich so je einen Endschalter auf jeder Seite angebracht. Für die Z-Achse habe ich einen weiteren Mikroschalter mit Heißkleber direkt auf die Halterung der Spindel geklebt, um in Z-Richtung eine Begrenzung nach oben zu haben.

Vorbereiten der Mikroschalter
Endschalter links an der Y-Achse
Endschalter hinten an der X-Achse

Alle Schalter wurden parallel geschaltet und mit Pin A0 der Steuerungsplatine verbunden. Löst ein Kontakt aus, wird nun ein Notstopp ausgelöst und das Programm angehalten.

Sensor Z-Leveling

Die Fräse soll bei mir später hauptsächlich Platinenfräsen. Dabei wird auf einem Platinenrohling die Kupferschicht um die späteren Leiterbahnen herum weggefräst (Isolationsfräsen). Das heißt, dass nur etwa 0,05 mm der Oberfläche weggefräst werden müssen (die Kupferschicht ist in der Regel 35µm dick). Da sich zum einen der Frästisch exakt parallel zur Spindel bewegen müsste und zum anderen die Platine exakt plan auf dem Frästisch aufliegen müsste, ist es geradezu unmöglich eine entsprechende Genauigkeit bei der Frästiefe zu erreichen. Um dieses Problem zu lösen, kann man entweder einen Graviertiefenregler nutzen (sehr teuer) oder man misst vor dem eigentlichen Fräsen den Abstand zwischen Platine und Spindel an verschiedenen Stellen, um so diese Ungenauigkeiten während dem Fräsen durch Regelung der Frästiefe auszugleichen.
Letzteres (Z-Leveling) bringen Programme wie bCNC direkt mit. Dazu wird die Platine vor dem Fräsen zunächst abgetastet. Die Spindel fährt verschiedene Punkte eines zuvor festlegbaren Rasters in X- bzw. Y-Richtung an und senkt den Fräser vorsichtig ab, bis die Software ein Signal der Steuerung bekommt. Auf diese Weise wird der Nullpunkt der Z-Achse an allen Stellen des Raster bestimmt und die spätere Frästiefe berechnet.
Das Signal bei Kontakt wird ausgelöst, wenn ein bestimmter Pin A5 der Steuerplatine auf Low gezogen wird. Beim Fräsen einer Platine kann das sehr gut erreicht werden, indem man den Fräsbohrer mit dem Eingangspin der Steuerung und die zu fräsende Platine mit GND verbindet.
Bei meiner Fräse habe ich dazu zwei Kabel mit Krokodilklemmen angebracht, die ich während dem Abtasten an Fräsbohrer und Platine anbringe. Vor dem Fräsen werden diese logischerweise dann entfernt.

Angebrachte Kabel zum Abtasten in Z-Richtung

Werkstückklemmung

Da die Befestigung nur mit den Gewindeschrauben am Rand (wie im oberen Bild) nicht besonders gut hält, habe ich mir anschließend noch spezielle Halter aus Metall gefertigt. Damit lässt sich die Platine super festklemmen.

Reparatur Steuerungsplatine

Leider hatte ich nach den ersten Tests schon einen defekt der Steuerplatine. Die Platine war unverändert aus dem ursprünglichen Bausatz und trägt die Bezeichnung “Woodpecker 3.1 GRBL”. Das nachfolgende Bild zeigt den schon optisch erkennbaren Defekt der Platine. Die Kondensatoren C50 und C52, die parallel zur Eingangsspannung geschaltet sind, sind völlig verbrannt. Ich vermute, dass diese für die hohe Spannung beim Einschalten nicht genügend dimensioniert waren und durchgeschlagen sind. Durch den Kurzschluss über den Kondensator ist dann die Leiterbahn darunter durchgebrannt, die den 12V Spannungsregler versorgt.
Nachdem ich die Reste der Kondensatoren entfernt und die defekte Leiterbahn mit einem Draht gebrückt hatte, funktionierte die Platine wieder.


Platinenfräsen

Als erste Platine habe ich einen Entwurf mit recht großen Strukturen gewählt. Ich verwende einen 0,3mm 60° Gravierstichel (für feinere Platinen brauche ich unbedingt noch einen deutlich spitzeren Fräser).
Der GCode wird direkt in Eagle über ein entsprechendes ulp erzeugt. Als Frästiefe wähle ich 0,085mm. Der Screenshot zeigt die anderen Einstellungen.

Die geplante Platine
gcode in Eagle erzeugen...
Autolevel in bCNC starten...

Zur Steuerung verwende ich bCNC. Zunächst starte ich das Autoleveling. Die Platine wird dabei in Z-Richtung im Fräsbereich mit einem Raster von 7x7 abgetastet. Im Screenshot sind die Messwerte zu erkennen.

Dann kann es auch schon mit dem Fräsen losgehen…

Die erste gelungene Platine

Ergebnis:
Man darf die Platine noch nicht mit einer gut geätzen vergleichen. Insbesondere die dort erreichbaren Strukturgrößen, dürften mit der Fräse unmöglich sein.
Dennoch ist das erste Ergebnis schon mal ganz akzeptabel und für einen einfachen Prototypenaufbau durchaus schon nutzbar.
Mit etwas Übung, experimentieren mit den Parametern und feineren Graviersticheln ist hier sicherlich noch etwas drin…

Hier gibts dann noch ein kleines Video:

Video

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2 Kommentare
Thomas Wiegleb ❘ 11.09.2019 09:17
Wenn Sie mir gestatten und Gefallen am Inhalt finden, lasssen Sie mich den Monolog fortsetzen.
Zur Qualität der in Fernost zusammengebastelten Maschienen gibt es sehr kontroverse Forumsbeiträge.
Viele neue CNC-Besitzer sind schwer enttäuscht und suchen bei den Einäugigen unter den Blinden (CNC mässig betrachtet) Rat.
Die dann angewandten Änderungen erreichen oft den Grad der Neukonstruktion, so das das Ergebnis vom ursprünglichen Material nicht mehr viel übrig lässt.
https://www.youtube.com/watch?v=XBPKn9BCvls
https://www.youtube.com/watch?v=orpl7b8wFY0
https://www.youtube.com/watch?v=PmMKjkiI0ME
https://cnc3018.ru/threads/ljuft-karetki-po-osi-z.67/page-6#post-22285
https://cnc3018.ru/threads/ljuft-karetki-po-osi-z.67/page-5#post-22036
Einiges davon in russicher Sprache; aber dank Google (Krake)-Übersetzer im Chrome-Browser lässt sich heute auch Das in Deutsch konsumieren.
Das Wichtigste aber übersehen Anfänger oft.
Der Aufwand, sich in das Thema einzuarbeiten und dann wiederholbar gute Ergebnisse zu erreichen.
Der finanzielle aufawand für gute Fräser, die brechen auch gerne mal, ist nicht ohne.
Eine der IMHO vollständigsten Anleitungen findet sich hier:
https://forum.electricunicycle.org/topic/11205-milling-pcbs-with-cheap-chinese-desktop-cnc-router/
Sehr lesenswert.
Ich habe es mitt Interesse gelesen, obwohl ich einige der Schlussfolgerungen nicht teile.
Auch verwende ich der einfachen Benutzung wegen kein FlatCam für die GCODE Erstellung CopperCam
Zum Schluss noch einmal zur Frage, wie kann sich Jedermann so etwas leisten. Nun, das ist eine Frage der Gemeinschaft., sprich Gesellschaft, sozialen Ordnung.
Nicht jeder kann jedes Werkzeug kaufen und aufstellen.
Abe in einer Bibliothek, einem Makerspace oder, sofern es das überhaupt noch oder wieder gibt, einer Arbeitsgemeinschaft einer Schule, da geht es schon.
Ich glaube, das es ebenso selbstverständlich wie Kindergärten, Schulen, Bibliotheken in den Wohngebieten allgemein verfügbare Orte geben MUSS, in denen Jeder unabhängig vom eigenen Geldbeutel werken und gemeinsam mit Anderen Menschen Teilen und Gewinnen kann.

Danke für Ihre Aufmerksamkeit.
Thomas Wiegleb ❘ 07.09.2019 02:10
Hallo Herr Hassel,
Sie haben sich viel Muehe gemacht, um aus dem China-Spielzeug ein halbwegs nuetzliches Werkzeug zu machen. Das war doch die Absicht, ein Werkzueg zu benutzen um kreativ enue Dinge zu machen, oder nicht?
Ihr Blog sollte viel mehr Aufmerksmakeit finden, um wenigstens den deutschsprachigen Interessenten zu zeigen, auf was sie sich da einlassen.
Ich halte diese Vorgehensweise fuer sehr schaedlich. Gerade junge Menschen mit sehr begrenztem Budget sollten eine bestimmte Fertigkeit durch Gebrauch des bestmöglichen Werkzeuges erlernen. Improvisieren ist auch eine Kunst, aber das ist ein anderes Feld.
ein russischer Youtuber sagte das so:" Das ist sehr russisch, kaufe Mist für 100 Dollar und schneide ihn dann zu Ende, so dass es für 500 Dollar wie ein Ding funktioniert".
nun, es ist wohl nicht auf Russland begrenzt. folge der Globalisierung, die immer mehre Menschen mittellos machte und die Ansprueche an Qualitaettstandards durch Uerberschwemmen des Marktes mit Wegwerf-Ware reduzierte.
Anhand Ihrer Fotos sehe ich, das Sie eigentlich nicht zu denen gehören, die veile abstriche akzeptieren muessten. sehr seltsam.
Hmmmm, Gruebel.
LG


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