TECHNIK

CNC für jedermann

Eine große Fräse für kleines Geld


Alle Beschläge und Verbindungen stammen aus dem 3D-Drucker. Zusammen mit den Schleppketten wurden mehr als 2,5 Kilogramm PLA durch die Düse gepresst

CNC-Fräsen sind universell einsetzbar. Ebenso vielfältig ist das Angebot in Qualität und Preis. Stefan Weihe hat sich eine CNC-Fräse selbst gebaut. Hier sein Bericht.

Die coronabedingte Verbannung in den Hobbykeller führte bei mir zu einer Fräse im Eigenbau, mit einem Arbeitsbereich von 1.000 x 500 Millimeter und überschaubarem Budgeteinsatz. Wa-rum einen Eigenbau? Nun, die Auswahl an Frä- sen für den Heimgebrauch ist riesig. Die persönliche Wunschliste kann dabei schnell in einen mittleren vierstelligen Budgetbedarf führen. Mit etwas Disziplin bei den eigenen Ansprüchen erschien mir jedoch eine Eigenbaulösung für weniger als 400 Euro machbar. Dabei wollte ich fol- gende Ziele nicht aus den Augen verlieren: Gro-ße Sperrholzformate sollten zu bearbeiten sein, die Toleranz und Wiederholbarkeit im Bereich weniger Zehntelmillimeter liegen. Das zu fräsende Material legte ich auf Schaum (Depron, EPP), Sperrholz und im Ausnahmefall auch mal Aluminium fest, außerdem war mir ein einfacher Workflow von der Zeichnung zum kompletten Bauteil wichtig.

Entscheidend für die Umsetzung eines solchen Projekts ist der Zugriff auf einen 3D-Drucker. Alle Bauteile, die nicht als Normteile oder Großserienteile verfügbar sind, werden aus PLA gedruckt. Dies ermöglicht die Budgetgrenze auch ohne fernöstliche Einkaufstouren sicher einzuhalten. Bei der Fräse fiel meine Wahl auf die aktuelle Primo-Version der "Mostly Printed CNC" (MPCNC). Sie wurde von V1-Engineering (https://docs.v1engineering.com/mpcnc/intro/) entwickelt und ist unter der Creative Commons Lizenz CC BY-NC-SA 4.0 für nichtkommerzielle Zwecke frei verfügbar.

Die Konstruktion ist aus meiner Sicht ausgereift und durchdacht. Eine Liste aller erforderlichen Bauteile und ein Kalkulator, der auf Basis der eigenen Vorstellungen der Frästeilabmessungen alle notwendigen Maße errechnet, bieten einen umfassenden Überblick. Die Dateien für den 3D-Druck sind über alle gängigen Plattformen verlinkt. Unter dem Suchbegriff "MPCNC" finden sich dort auch unzählige Werkzeugadapter, Schleppketten ("Drag Chain") und weitere nützliche Ergänzungen.

Starten wir mit dem mechanischen Aufbau. Die Führungen der Laufschlitten in x-, y- und z-Richtung bestehen jeweils aus handelsüblichen V2A-Edelstahlrohren (1.4301) mit 25 Millimeter Durchmesser und zwei Millimeter Wanddicke. Die Schlitten laufen auf Kugellagern 608-2Z. Dies erfordert etwas Einstellaufwand, spart aber gegenüber Kugelumlaufführungen enorm Kosten ein. Der Antrieb greift auf Standardkomponenten aus dem 3D-Druckersortiment zurück. Bei entsprechend spezialisierten Internetshops lassen sich diese problemlos - und oftmals günstiger als bei Internetriesen - beschaffen. Als Un- terbau dient eine verrippte Plattform aus 16 und 32 Millimeter dickem Multiplex. Leider ist mir dabei entgangen, dass das Arbeitsfeld der Fräse nicht mittig in der Grundfläche liegt, sondern aufgrund der seitlichen Anbindung des z-Schlittens asymmetrisch versetzt ist. Letztlich kostete mich das einige Zentimeter. Da ich mir bei der Auslegung jedoch jeweils fünf Zentimeter Zuschlag gegönnt habe, konnte der angestrebte Arbeitsbereich, wenn auch knapp, realisiert werden.

Der 3D-Druck nimmt leider sehr viel Zeit in Anspruch. Mit einer 0,4-mm-Düse und 0,2-mm-Layerhöhe waren dies am Ende mehr als 337 Stun- den, bis alle Teile der Fräse, die Werkzeugadapter und die Schleppketten komplett waren. Im Nachhinein hätte es sich gelohnt auf eine 0,6-mm-Düse und eine größere Layerhöhe zu wechseln, zumal die Teile keine kleinen Details auf- weisen. Damit hätte sich die Druckzeit auf gut die Hälfte reduzieren lassen. Insgesamt gehen nämlich mehr als 2,5 Kilogramm Material durch die Düse, wobei sich Standard-PLA im Betrieb der Fräse bisher sehr gut bewährt hat. Der größ-te Feind der Bauteile ist das Anzugsmoment der Schrauben beim Zusammenbau. Handfest ist hierbei fast schon zu viel, die Kraftübertragung erfolgt meist formschlüssig. Aufgrund dieser geringen Drehmomente ist auch der Einsatz selbstsichernder (Stopp-) Muttern sinnvoll. Und es kann nicht oft genug wiederholt werden: lieber weniger stark anziehen als zu fest.

Der Aufbau erfordert eine gewisse Präzision: Leider fehlt der MPCNC ein durchgängiges Toleranzkonzept. Dadurch ist es kaum möglich, Ungenauigkeiten in vorhergehenden Aufbauschrit- ten im Folgenden auszugleichen. Alle Werkstücke, die mit der Fräse bearbeitet werden, sind entweder relativ klein oder biegeweiche Platten. Die Anforderungen in z-Richtung lassen sich durch abschließendes Planfräsen der Arbeitsfläche mit der "ungenauen" Fräse erreichen. Abweichungen in z-Richtung spiegeln sich somit in der Arbeitsfläche wider. Die aufgelegten Platten folgen diesen Ungenauigkeiten und können deshalb im Zehntelbereich präzise bearbeitet werden. Trotzdem lohnt es sich, den Unterbau so gleichmäßig wie möglich zu realisieren. Erschreckend war, wie uneben eine Küchenarbeitsplat-te aus Granit sein kann. Letztlich half eine Tisch- tennisplatte als Referenz, zusätzlich versteift mit Richtlatten aus Aluminium.

Deutlich aufwändiger ist die Ausrichtung in der x- und y-Ebene. Hier empfiehlt sich dringend, zunächst drei Füße präzise rechtwinklig auf die Grundplatte aufzuschrauben (Pythagoras - der alte Grieche) und erst dann die vierte Ecke zu platzieren. Die Seiten und beide Diagonalen sollten danach auf deutlich weniger als ein Millimeter Toleranz ausgerichtet sein. Wenn die (mög- lichst kurzen) vertikalen Stützen senkrecht stehen, bleibt die Präzision auch in der Ebene der Führungsstangen erhalten. Leider blockieren sich die Langlöcher der Füße gegenseitig, sodass eine eventuell erforderliche Nachjustage der Füße unnötigen Aufwand verursacht.

Die Edelstahlrohre der Laufachsen sind in der Regel nicht perfekt gerade. Die üblichen - und zulässigen - Toleranzen werden sofort offensichtlich, wenn man die Stangen auf einer ebenen Unterlage rollt. Werden die Stangen so eingebaut, dass der "Bauch" jeweils in z-Richtung nach oben zeigt, hat dieser keinen negativen Einfluss auf die Präzision in der x-y-Ebene.

In den diversen Anleitungen zur MPCNC wird anschließend sehr viel Sorgfalt auf die rechtwinklige Ausrichtung des Stangenkreuzes gelegt, an dem final der z-Schlitten befestigt wird. Aus Erfahrung kann ich sagen, dass dies zum einen in den Wahnsinn führt: nach wenigen Stunden ist die mühsam erzielte Ausrichtung wieder hinweg und die Stangen stehen genauso schief wie davor. Zum anderen ist es viel sinnvoller, diese Arbeit den Schrittmotoren zu überlassen. Dieses "autosquaring" betrachten wir spä- ter. Es reicht in diesem Stadium, die beiden Laufstangen mechanisch auf wenige Millimeter grob auszurichten. Der Einbau des z-Schlittens komplettiert den mechanischen Aufbau der Fräse.

Für den Antrieb und die Stromversorgung bilden fünf Schrittmotoren der Größe Nema 17 mit jeweils 59 Ncm das Herzstück. Da sich jeweils zwei der Motoren die Arbeit in der x- und y-Richtung teilen, ist diese Dimensionierung für die geplante Auswahl an Werkstoffen ausreichend. Die Kraftübertragung wird über 20-zähnige Ritzel und zehn Millimeter breite Zahnriemen GT-2 realisiert. Für den Vertikalschlitten kommt eine Trapezspindel T8 zum Einsatz, die mit einer flexi- blen Wellenmutter an den Schrittmotor gekoppelt wird. Alle Komponenten sind Standard bei 3D-Druckern und problemlos zu beschaffen. Auch bei der Zahnriemenspannung gilt: weniger ist mehr. Wenn die Zahnriemen ähnlich einer Saite hörbar mit dumpfem Ton vibrieren, sollte die Spannung eher reduziert werden. Zusätzliche Modifikationen, wie zum Beispiel weitere Riemenspanner am Laufwagen oder Doppelriemen, sind nach meiner Erfahrung nicht nötig und bringen mehr Nach- als vermeintliche Vorteile mit sich.

Die Schrittmotoren werden über vierpolige geschirmte Kabel angesteuert. Diese sind über Schleppketten geführt - an einer Ecke der Grundplatte auch auf deren Unterseite. Der Querschnitt der Litzen ist mit 0,35-0,50 Quadratmillimeter ausreichend, dickere Leitungen sind deutlich starrer und schwieriger in den Schleppketten zu verlegen. Im Unterbau der Grundplatte sitzt in einem kleinen Gehäuse die not- wendige Elektronik zur Ansteuerung der Schrittmotoren und zur Anbindung der Fräse an den Computer.

Einen hervorragenden Überblick über mögliche Lösungen zur Elektronik bietet die Seite von Timo Altholtmann (https://blog.altholtmann. com/). Meine Anforderungen konnte ich vollständig mit dem Tillboard von Till Nenz umsetzen. Wahrscheinlich hätte jedoch bereits ein Arduino Uno mit CNC-Shield ausgereicht. Zusatzfunktionen wie Fernsteuerung und autosquaring müssen und können für diese einfachen Elektroniken allerdings alternativ realisiert werden. Das Tillboard lässt sich als Bausatz mit allen Bauteilen beziehen (https://forms.gle/icKBc9JFwztpJZU48) und dann innerhalb weniger Stunden zu einer funktionierenden Einheit verlöten. Diese wird in einem kleinen gedruckten Gehäuse mit einem ebenfalls kleinen PC-Lüfter untergebracht und mit vierpoligen GX16-Steckern ausgerüstet. Während die logischen Elemente mit fünf Volt über den USB-Anschluss des Computers versorgt werden, brauchen die Schrittmotoren eine eigene Stromversorgung. Bestens eignet sich dazu das Netzteil meines 3D-Druckers, das 24 Volt bei sechs Ampere bereitstellt.

Die Kommunikation per USB mit einem PC, der die eigentliche Ablaufsteuerung koordiniert, übernimmt ein Arduino-Minicomputer. Dieser ist einfach auf das Elektronikboard aufgesteckt, ebenso wie drei kleine Treiberbausteine, die als fertiges Modul die Ansteuerung der Schrittmotoren leisten. Dabei werden die gegenüberliegenden Schrittmotoren der x- und y-Achse je- weils durch einen gemeinsamen Treiberbaustein versorgt. Die Standardtreiber DRV8825 zeigten bei mir unkontrollierte Spannungsspitzen auf den Steuerleitungen. Die führten regelmäßig zu Schrittverlusten oder zusätzlichen Schritten. Damit ist kein Bauteil zu fräsen. Der Austausch durch Trinamic-Treiber TMC2209 V3, die bis auf die Jumperbelegung pinkompatibel zu den DRV8825-Treibern sind, löst nicht nur dieses Problem. Sie erfordern auch wesentlich weniger Kühlung der Elektronik und die Schrittmotoren laufen deutlich leiser. Auf Timos Internetpräsenz ist auch dieser Tausch detailliert beschrieben.

Als Software zur Ansteuerung der Fräse empfiehlt sich Estlcam von Christian Knüll (www.estl cam.de). Sie bietet umfangreiche Möglichkeiten. Für die Ansteuerung meines Eigenbaus war sie bestens geeignet. Zudem kann die Software jederzeit kostenlos ausprobiert werden und der Kauf wird erst nötig, wenn die eigene Fräse auch wirklich funktioniert. Ein Highlight von Estlcam ist die Möglichkeit, einen Game-Controller der Xbox zu nutzen, um alle wesentlichen Funktionen der Fräse fernzusteuern. Insbesondere das Einrichten und Antasten des Werkstücks ist da-mit wunderbar einfach. Die Installation von Estlcam und das Einrichten der Software im Einstellmenü der CNC-Steuerung sind intuitiv und übersichtlich gestaltet. Anschließend wird auf Knopfdruck die angepasste Firmware auf den Arduino der Fräselektronik überspielt - und schon kann es losgehen.

In Estlcam selbst kann keine Fräsgeometrie erzeugt werden. Es lassen sich jedoch zahlreiche Formate für 2D- und 3D-Geometrien importieren, die sowohl kostenfreie Software (z.B. Inkscape) als auch kommerzielle Bearbeitungspro- gramme für die Erstellung von Vektorgrafiken (z.B. CorelDraw) und natürlich praktisch jede CAD-Anwendung abdecken. Estlcam bietet dann eine gelungene und logische Benutzerführung, um die einzelnen Fräsbahnen zu identifizieren und zu definieren. Die erstellten Fräsprogramme können sofort ausgeführt oder für eine spätere Nutzung gespeichert werden. Nicht zuletzt bietet Estlcam zahlreiche Zusatzfeatures, die das Leben erleichtern: grundlegende Editierfunktionen für die Fräsbahnen, die Integration von Sensoren und einer Tastplatte oder die Schleppmes- serkorrektur sind nur einige davon.

Kommen wir zum letzten Akt: Die Präzision der einzelnen Achsen lässt sich über die Kalibrierdaten der CNC-Einstellungen in Estlcam auf Millimeterbruchteile justieren. Aufgrund des Prinzips der MPCNC liegt die Tücke jedoch in der Rechtwinkligkeit der beiden x- und y-Laufstangen zueinander. Dies ist die Voraussetzung, dass Fräsgeometrien auch winkeltreu umgesetzt werden. Eine mechanische Ausrichtung ist, wie bereits erwähnt, wenig zielführend, da sie nach kurzer Zeit wieder verlorengeht. Als Lösungsansatz wird oft "autosquaring" vorgeschlagen: Dabei werden die Achsen gegen kalibrierte Endanschläge gefahren und über Endschalter diese Nullposition jedes einzelnen Schrittmotors als Referenz gesetzt. Dieses Verfahren ist elektronisch aufwändig: Estlcam muss dafür übersteuert und die gegenüberliegenden Schrittmotoren individuell angesteuert werden, was nur durch zwei zusätzliche Treiberstufen gelingt. Somit sind Ergänzungen in der Steuersoftware und Hardware unumgänglich. Eine wesentlich einfachere Lösung bietet manuelles autosquaring. Dabei werden die x-Achse und die y-Achse jeweils manuell per Estlcam in kalibrierte Endanschläge gefahren. Läuft der Laufschlitten auf diesen Endanschlag auf, so verfällt der Schrittmotor in Schrittverluste - er "dreht durch". Diese Schrittverluste sind ganzzahlig. In unserem Fall entspricht dies jeweils einem Fahrweg von 360°/180 Schritte multipliziert mit 20 Zähnen/360° und 2mm/Zahn. Somit ist der maximale Fehler durch den schrittweisen Schlupf 0,22 mm. Dies kann weiter optimiert werden, indem die Zahnriemen mit den Riemenspannern entsprechend justiert werden. Damit lässt sich der Winkelfehler auf weniger als 0,1 Grad reduzieren. Alternativ zum "Durchdrehen" können die Laufwagen auch vor Einschalten der Versorgungsspannung der Schrittmotoren manuell gegen die Endanschläge geschoben werden. So kann auf pragmatische Art und Weise die orthogonale Ausrichtung der x- und y-Laufstangen auch ohne Ergänzungen der Elektronik sichergestellt werden.

Mit unterschiedlichen Adaptern lassen sich beliebig Werkzeuge an den z-Schlitten koppeln. Ein Kugelschreiber, bei dem die Feder von der Unter- auf die Oberseite der Miene umgesteckt ist, macht aus der Fräse einen Großformatplotter. Mit einem Einsatz für Schneidmesser können Folien und andere dünne Materialien ge- schnitten werden. Die notwendige Schneidmesserkorrektur, um den Nachlauf der Klinge bei Richtungsänderungen zu kompensieren, ist in Estlcam bereits integriert. Für die eigentlichen Fräsarbeiten dienen mir gedruckte Adapter für eine Handfräse (Dremel) und für Standardflansche mit 43 Millimeter Durchmesser. In Letzteren lassen sich zum Beispiel Oberfräsen einsetzen und so lässt sich auch in größerem Volumen Material abtragen. In allen Adaptern sind Anschlüsse für die Spanabsaugung integriert. Sonst würde die Werkstatt schnell einer verschneiten Winterlandschaft gleichen. Natürlich lassen sich auch professionelle Frässpindeln einsetzen, wobei aufgrund der Bauart der MPCNC eine natürliche Grenze beim Gewicht der Spindel gesetzt ist. Für alle gängigen Werkzeuge sind Daten für den 3D-Druck der Adapter im Internet zu finden.

Zur Einweihung der neuen Maschine habe ich zunächst die Arbeitsplatte plangefräst. In diese ist ein rechteckiges Muster von vier Millimeter breiten Nuten eingebracht, von unten mit dem heimischen Zentralstaubsauger verbunden. So wird eine 3-mm-MDF-Platte angesaugt. Die oberflächlich verdichtete Schicht der MDF-Platte wird auf beiden Seiten abgeschliffen, sodass der Unterdruck durch die poröse Platte hindurch ausreicht, um glatte Bauteile stabil zu fixieren. Für raue Oberflächen, beispielsweise Sperrholzplatten, empfiehlt sich eine gelochte MDF-Platte mit einer aufgelegten luftdurchlässigen Durchfräsmatte aus Gummi, die gleichzeitig auch als Opfermatte dient. Mit einer EPDM-Dichtschnur ("Moosgummi") lassen sich durch das Nutenmuster auch kleinere Arbeitsbereiche der Vakuumplatte nutzen.

Meine CNC-Fräse ist regelmäßig im Einsatz, und öffnete mir die Tür in die ARF-freie Zone. Sie erfüllt alle gestellten Anforderungen, wobei sie natürlich in Präzision und Robustheit nicht an Lösungen für den ambitionierten Amateur oder gar Profi heranreicht. Doch um Rippensätze zu fräsen oder in die Hallensaison zu starten, ist sie einfach klasse. Als Projekt ist sie überschaubar und in relativ klar abgrenzbare Einzelschritte gegliedert. Für jede Bauphase sind im Internet detaillierte Beschreibungen und Lösungen zu finden. Dadurch ist die Fräse von jedem Modellbauer problemlos zu erstellen. Der zeitliche Aufwand ist dabei aber nicht zu unterschätzen.

Und nun freue ich mich auf mein eigentliches Hobby: Flugzeuge damit zu bauen und endlich wieder zu fliegen.

Stefan Weihe


Der mechanische Aufbau steht auf einem Grundgerüst aus Multiplex, die Vakuumplatte ist eingeschraubt aber noch nicht plangefräst


Die Schrittmotoren tanzen Ballett beim Testlauf der Software Estlcam und dem Tillboard auf der Werkbank


Mechanik und Elektronik sind verheiratet: Der Testlauf als Plotter bringt das erste Erfolgserlebnis


Die Arbeitsplatte ist plangefräst und ein rechteckförmiges Nutenmuster eingebracht. Dieses wird von unten an einen Staubsauger angeschlossen und dient mit einer aufgelegten MDF-Platte als Vakuumtisch


Die Führungen sind mit Rillenkugellagern realisiert, die im 120°-Winkel um die Edelstahlrohre herum angeordnet sind


Auch die Schleppketten stammen aus dem 3D-Drucker und ordnen die Kabel für einen störungsfreien Betrieb


Mit einer einfachen Lehre sind die Endanschläge zu den vermessenen Eckpfosten perfekt justiert und sichern die Rechtwinkligkeit der Laufstangen durch "manuelles autosquaring"


Werkzeugadapter für ein Multifunktionswerkzeug (Dremel), Kugelschreiber, ein Schneidmesser und eine 43-mm-Standardaufnahme


Sogar Aluminiumbleche lassen sich mit entsprechender Zurückhaltung beim Vorschub bearbeiten


Frisch ans Werk: Die Schablonen für CFK-Verstärkungen für das nächste Projekt eines F3P-Hallenfliegers sind erfolgreich gefräst



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