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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