Auswahl der Software

Seit Jahren nutze ich für meine CNC-Projekte Autodesk Fusion 360 (F360). Dieses Mal nicht, denn im Wesentlichen ist Fusion360 ein CAD/CAM Programm für Manufacturing und bietet schlicht nicht unmittelbar die benötigten Funktionalitäten für Inlays. Irgendwie ist bestimmt das Erstellen feiner Intarsien auch mit F360 möglich, dann ist es mit einem hohen Aufwand verbunden.

Für das Erstellen von Intarsien, wie ich sie mir vorstelle, eignet sich die Programme der Firma Vectric hervorragend. Dabei ist es egal, ob man mit VCarve Desktop, VCarve Pro oder Aspire arbeitet. Nach endlosen Stunden, die ich mit der Lösungssuche mit Fusion360 verbracht hatte, habe ich mich zum Kauf einer VCarve Desktop Lizenz entschieden, auch, wenn mir durchaus bewusst ist, dass es auch freie Software gibt, die das Erstellen von Intarsien ermöglicht.

Auf YouTube findet man eine Reihe von Tutorial-Videos, die das Erstellen von Inlays beschreiben. An dieser Stelle möchte ich auf ein älteres Video von Vectric verweisen.

Zentraler Bestandteil dieser Inlay-Technik ist ein spitz zulaufender Gravurfräser, der sowohl beim Negativ als auch beim Positiv Verwendung findet. Bei der Erstellung des Positivs achtet man darauf, dass es eine größere Tiefe besitzt als das Negativ. Dadurch wird dafür gesorgt, dass das gesamte Negativ ausgefüllt wird. Der Überstand, der durch die höhere Tiefe entsteht, wird schlicht abgesägt und das Ganze Plan geschliffen.

Erstes Teststück

Bevor ich das Ganze auf ein aufwändig erstelltes Schneidebrett anwende, stehen zunächst ein paar Tests an. Dabei habe ich mir ein freies SVG gezogen (google: „free svg“) und es auf einem Testbrett ausprobiert. Das Brett war ein einfaches Kiefer-Brett, das Inlay aus Nussbaum.

Nachdem beide Holzstücke verleimt und getrocknet sind, habe ich den „Überstand“ des Positivs mit einer Bandsäge entfernt und das Ganze Plan geschliffen. An dieser Stelle gibt es verschiedene Möglichkeiten. Sofern die Werkzeuge meiner Werkstatt es hergeben, würde ich persönlich immer den Dickenhobel als schnellste Methode wählen, um die allerletzten Erhebungen zu entfernen und eine gleichmäßig ebene Fläche zu erzeugen. Als nächste Möglichkeit kann man auch die CNC-Maschine nehmen, um die Oberfläche zu planen. Je nach verwendetem Fräser und der maximal möglichen Geschwindigkeit der Maschine ist dies die zweite Wahl.

Das Ergebnis konnte sich direkt sehen lassen.

Endlich ist es soweit.

Der neue Schaltschrank für die CNC ist aufgebaut.

Die CNC-Maschine selber ist vermessen, gerichtet und einsatzbereit.

Die neue Spindel ist montiert.

Die Leitungen für die Spindelkühlung wurden neu gezogen.

Die neuen Kabel zu den Motoren wurden konfektioniert.

Mach4 wurde eingerichtet.

Ein kleines CNC-Script ist fertig und geladen.

Die lokalen Koordinaten X-, Y- und Z-Koordinaten sind gesetzt.

Es ist wie beim ersten Mal. Aufgeregt und mit leicht schwitzigen Händen ruht meine Hand auf der Maus und das einzige, was ich nun nur noch machen muss, ist, auf START zu klicken. Eigentlich kein großes Ding, denn die CNC-Maschine hat schon mehrfach gezeigt, dass sie funktioniert. Alle manuellen Tests, angefangen beim Test des Not-Aus bis hin zur Bewegung der Achsen sind getestet. Aber dennoch. Aufgeregt bin ich dennoch. Gleich pflügt der eingespannte Fräser durchs Material.

Mit einer Hand auf dem Not-Aus-Knopf klicke ich auf START. Dann gehts los. Die Spindel beschleunigt auf 20000 U/min und bewegt sich in Richtung Zielgebiet. Langsam senkt sich der Fräser in Richtung Material. Immer wieder bin ich davon begeistert, wie leise die wassergekühlte Spindel im Leerlauf dreht. Der fräsen taucht ein und die CNC-Maschine beginnt ihren Tanz. Alles läuft problemlos. Als sich die Spindel am Ende des Programms abschaltet und sich wieder in Richtung Ausgangsposition fährt bin ich restlos begeistert. Im Nachhinein stellt sich heraus, dass die Maßhaltigkeit sehr gut ist. Ich bin glücklich und denke bereits an die Vielzahl der kommenden Projekte.

Zur Erinnerung: ich nutze Pokeys57CNC als Steuereinheit und MACH4 mit einer Hobby-Lizenz als Steuerungssoftware.

Die „Kommunikation“ zwischen der Spindel und Pokeys57CNC erfolgt über einen Frequenzumrichter (FU). Im Grunde wandelt er 220V Wechselstrom zu Drehstrom mit drei Phasen um und sorgt durch gesteuerte Stromimpulse dafür, dass sich der Motor der Spindel dreht. In meiner Maschine nutze ich einen Powtran PI9130. Genau genommen steuert Pokeys57CNC nicht die Spindel, sondern Pokeys steuert den Frequenzumrichter, der wiederum die Spindel aktiviert.

Als Spindel nehme ich einen wassergekühlten RATTM 2.2KW Moto, der mit 220V und 8A Stromstärke und 400Hz angesteuert werden kann. Damit ist eine Drehzahl von 24000U/min möglich.

So ähnlich sich MACH3 und MACH4 an einigen Stellen sind, so unterschiedlich sind sie auch. Natürlich müssen dieselben Parameter in MACH4 gepflegt werden, um im weiteren Verlauf die Spindel ansteuern zu können. Nur sind die einzustellenden Punkte an anderen Stellen im Programm zu finden. Im Folgenden beschreibe ich die notwendigen Schritte, damit man eine herkömmliche Chinaspindel in MACH4 mit dem Ziel konfiguriert, sie anschließend per Software starten und stoppen sowie die Drehzahl bestimmen zu können.

Doch zunächst muss die Spindel mit Pokeys57CNC verbunden werden.

Anschluss der Spindel an Pokeys57CNC

Die Verbindung zwischen Pokeys57CNC und dem Frequenzumrichter erfolgt mit vier Steuerleitungen, wobei jeweils zwei für das An-/Aus-Signal und für die Drehzahl über eine Spannung von 0-10V verantwortlich sind.

Dieser Anschluss funktioniert bei dem erwähnten FU. Welche Anschlüsse du bei deinem FU nutzen musst, kannst du deiner Anleitung entnehmen.

Die Anschlüsse OC1+ und OC1- senden das An-/Aus-Signal zum Starten und Stoppen deiner Spindel. Die Spannung von 0-10V an Pin 17 wird über GND abgeleitet und bestimmt die Drehzahl deiner Spindel. 0V bedeutet keine Drehung, 10V die maximal mögliche Drehzahl. In welchem Drehzahlbreich sich deine Spindel bewegt, entnimmst du dem entsprechenden Datenblatt.

Um den Zusammenhang herzustellen: Bei der Anwendung stelle ich beispielsweise eine Drehzahl von 12000U/min in MACH4 ein. Pokeys57CNC gibt in diesem Fall eine Spannung von 5V auf PIN17, der FU interpretiert dies und sendet Stromimpulse mit 200Hz an die Spindel. Bei einer eingestellten Drehzahl von 24000 U/min gibt Pokeys 10V an den FU, der dann mit 400Hz die Spindel bestromt.

Konfiguration in MACH4

Kommen wir nun zu den notwendigen Einstellungen in MACH4.Es gibt zwei Ebenen, wo etwas konfiguriert werden muss. Zum einen in den allgemeinen MACH4-Einstellungen, die du über den Menüpunkt Configure->Control erreichst. Zum anderen stellst du ein paar Kleinigkeiten im Plugin von Pokyes57CNC ein, das du bei Configure->Plugins->Pokeys plugin findest.

Beginnen wir bei der allgemeinen MACH4-Einstellung.

Einstellung der maximalen Drehzahl in MACH4

Für den Betrieb der CNC-Maschine ist es wichtig, die Ober- und Untergrenzen des Drehzahlbereichs zu definieren. Dies passiert in dem Reiter Spindel. Es gibt hier die Möglichkeit, mehrere Drehzahlbereiche zu definieren, zB für die Bearbeitung unterschiedlicher Materialien. Für mich reicht ein Drehzahlbereich und so trage ich in Zeile 0 folgende Werte ein:

• Min. Drehzahl: 6000.00
• Max. Drehzahl: 24000
• Beschl.Zeit: 4.00
• Abbremstet: 4.00
• Feedback Ratio: 1.00000

In der Konfiguration meines FU habe ich die beschriebene Beschleunigungs- und Abbremszeit von 4 Sekunden definiert, die ich in diesen Einstellungen übernommen habe.

In dem Feld Max. Drehzahl Spindelachse habe ich die maximal mögliche Drehzahl anhand des Datenblattes übernommen. In meinem Fall ist es ein Wert von 24000.00

Da wir die Spindel an bestimmte Pins von Pokeys57CNC angeschlossen haben, müssen wir nun der Software mitteilen, welche das denn sind. Dazu wechseln wir in den Tab Ausgangssignale. Hier teilen wir Pokeys mit, dass wir Pin17 als Signal für die Drehzahl nehmen und OC1 als An-/Ausschalter.

Als letztes muss noch im Pokeys57CNC Plugin eine Einstellung angepasst werden. Hierzu rufst du den Menüpunkt Configure->Plugins->Pokeys plugin auf. Im Reiter Miscellaneous passt du folgende Einstellungen an:

• Enable PWM Output anhaken
• PWM frequency: 20000 Hz
• Enable Pin17 anhaken
• Spindle Output Pin17
• Set to 0 when OFF an

Das sollte es gewesen sein. Vor der Überprüfung des Setups startest du MACH4 neu und dann schreiten wir zum Test.

Überprüfung der Konfiguration

Alle Einstellungen sind getroffen, MACH4 ist neu gestartet. Um zu überprüfen, ob die Spindel anläuft, wechselst du in den Tab Program Run.Das ist auch der Startschirm von MACH4. In der Mitte des Fensters befindet sich links der Reiter MDI (Manual Data Input). Mit dem Befehl M3 S12000, gefolgt von einem Return gibst du die Anweisung, die Spindel mit einer Drehzahl im Uhrzeigersinn zu starten. Um das Kommando auszuführen, klickst du auf den Button Cycle Start MDI. Die Spindel sollte sich nun mit der genannten Drehzahl drehen. Mit einem Klick auf Spindle CW / Stop bleibt die Spindel stehen.

Elektrifizierung

Weiter gehts mit dem CNC-Schaltschrank. Im vorherigen Artikel habe ich einige Punkte in mein Lastenheft geschrieben. Hinzu kommen noch ein paar Überlegungen.

Energieversorgung

Um den Strombedarf zu jedem Zeitpunkt zu erfüllen und direkt für spätere Bedarfe gerüstet zu sein, werde ich mit drei Phasen den CNC-Schaltschrank mit Strom beliefern. Folgende Aufteilung:

• 1. Phase: Steckdosen nach Außen (zB für Computer, Wasserpumpe, etc.)
• 2. Phase: ausschließlich für den Frequenzumrichter
• 3. Phase: interne Stromversorgung, d.h. 48V, 24V und 12V Netzteile für das BOB und die Endstufen der Motoren. 12V werden per XLR-Stecker nach außen geführt und an der Maschine verteilt, z.B. für die neue Pumpe zur Wasserkühlung der Spindel und Beleuchtung.

Folgende Überlegung steckt dahinter: eine 16A-Sicherung stellt bei 220V eine Leistung von 3520W bereit. Würde ich die Anlage nur mit EINER 16A Sicherung betreiben, könnte es eng werden. Mit den Maximalwerten gerechnet kämen 2200W (Spindel) + 2*480W (Netzteil) + 60W (Netzteil) + 60W (Netzteil) + 600 (Computer) = 3880 W zusammen. Und dabei sind der Monitor und die Pumpe für die Wasserkühlung nicht eingerechnet. Dies würde eine 16A Sicherung zweifelsohne belasten. Mir ist durchaus bewusst, dass dies so gut wie nie passieren wird. Wenn man bedenkt, dass in der Werkstatt parallel auch noch andere Elektrowerkzeuge betrieben werden, sieht die Sache schon anders aus. Und aus diesem Grund sind drei extra abgesicherte PE sinnvoll.

Sicherung

Es mag mit Kanonen auf Spatzen geschossen sein. Der Schrank soll seine eigenen LS-Schutzschalter bekommen. Die Idee hinter diesem Plan ist, dass im Falle einer Überstromsituation nur die Maschine und nicht meine gesamte Werkstatt still gelegt wird und ich ggf. Dunkeln stehe.

Anordnung der Komponenten

Ein erklärtes Ziel ist es, den Frequenzumrichter (FU) in den Schaltschrank zu integrieren. Dies kann zu EMV-Problemen führen. Um diese weitgehend einzuschränken, werden auch im Gehäuse für die ausgehenden Leitungen geschrirmte Kabel verwendet. Darüber hinaus wird der FU von den anderen Komponenten entfernt angeordnet.

Wahl der verwendeten Komponenten

Bevor ich aufliste, welche Komponenten ich in meinem Schaltschrank verwende, möchte ich kurz auf folgendes hinweisen.

• Schaltschrank RITTAL 1060500
• 1x Pokeys57CNC Controller Board
• 1x Meanwell MDR-60-24 Netzteil für Pokyes57CNC und Sensoren
• 1x Meanwell MDR-60-12 Netzteil für 12V Output (zB Beleuchtung, Pumpe, PC-Lüfter)
• 2x Meanwell NDR-480-48 Netzteil, je eines für zwei Endstufen der Motoren
• 4x Leadshine DM556 Endstufen
• 1x Schaffner FN2030-20-06 Netzfilter
• 1x Powtran PI9130 Frequenzumrichter (nur noch Nachfolger verfügbar)
• je 1x PTFIX 12×2,5 BU, PTFIX 12×2,5 GYE, PTFIX 12×2,5 GY, PTFIX NS35, erhältlich bei diversen Elektronikversendern)
• 1x ABB S203-C16 Sicherungsautomat
• 2x Mennekes 11011 Anbausteckdosen
• Neutrik XLR universal Einbaubuchse female, 3polig und
• XLR universal Einbaubuchse female, 4polig

Verkabelung

Für die Verdrahtung aller 200V Leitungen habe ich einen Querschnitt von 2,5mm² genommen. Alle Gleichstromleitungen sind mit 1mm² versehen. Die durchgängige Verwendung von Aderendhülsen ist obligatorisch, ebenso die für ihren Zweck gültige Farbgebung der Leitungen. Es gilt, einige Meter an Kabel zu verlegen. Da hilft ein Plan.

Kühlung des Schaltschranks

Der Frequenzumrichter und die Motorendstufen sind nicht umsonst mir Kühlkörpern ausgestattet. Um einen Hitzestau im Schrank zu vermeiden, habe ich zwei 120mm PC-Lüfter an zwei gegenüberliegenden Seiten des Schranks verbaut. Dabei ist die Anordnung der Lüfter so gewählt, dass ein Lüfter Luft in das Gehäuse bläst während der zweite Lüfter diese aus dem Gehäuse abführt.

Steuerleitungen

Nachdem alle verwendeten Komponenten mit der notwendigen Spannung versehen sind, gilt es nun, die Steuerleitungen zu legen. Auch hier hilft ein Plan.

Im ersten Schritt der Verkabelung der Steuerleitungen lasse ich bewusst den Anschluss der induktiven Endschalter außen vor. Es ist nett, sie zu haben und sie bringen im Gesamtkontext der Maschine auch einige Vorteile, allerdings sind sie für Fräsarbeiten nicht wirklich notwendig, da ich hier nicht mit Maschinenkoordinaten, sondern nur mit lokalen Koordinaten gefräst habe, bei denen ich die jeweiligen Nullpunkte der Maschine manuell gesetzt habe. Die Verkabelung kommt zu einem späteren Zeitpunkt.

Warum ein neuer CNC-Schaltschrank?

Bei dem letzten Aufbau des Schaltschranks für die CNC-Maschine griff ich auf das Stahlgehäuse von Sorotec zurück. Dies ist ein sehr solides Gehäuse und reicht für die Steuerungskomponenten einer drei- oder vierachsigen Maschine aus. Allerdings reicht der Platz nur für die Steuerungselektronik, die Endstufen und die Netzteile, was bei Verwendung einer handelsüblichen Fräse als Spindel ausreichend ist, die neben einer eigenen Stromversorgung manuell ein- bzw. ausgeschaltet wird. In meinem Fall erfolgt die Steuerung der Spindel über die CNC-Software und so brauche auch noch Platz für den Frequenzumwandler (FU) der Spindel, den ich bisher notgedrungen außerhalb des Gehäuses montieren musste. Das hat funktioniert, war aber nicht schön, denn der FU war auch unterhalb der Fräse einer nicht unerwähnenswerten Menge an Staub und Spänen ausgesetzt. Dieser Umstand soll sich bei dem neuen Schaltschrank ändern. Auch sollen die Kabel, insbesondere die Steuerkabel zwischen den geschirmten Schrittmotorendstufen ordentlicher und störungsärmer verlegt werden.

Lastenheft

Bei der folgenden Planung stehen demnach ein paar Dinge im Lastenheft. Unter anderem wären das

• Integration
  • der Frequenzumwandler wird in den Schaltschrank integriert.
  • Eine bestmögliche räumliche Trennung von Strom- und signalführenden Leitungen soll gewährleistet sein
• Spannung
  • den Motoren soll zu jedem Zeitpunkt genug Strom zur Verfügung stehen
• Wärme
  • durch den Betrieb der Anlage entsteht Wärme. Diese muss zuverlässig abgeleitet werden
• Sicherheit
  • es muss eine Möglichkeit geschaffen werden, den Schrank ad hoc Spannungsfrei zu schalten
• Technik
  • endlich sollen induktive Näherungssensoren zum Einsatz kommen
  • die Maschine soll eine sinnvolle Beleuchtung bekommen

Also muss ein neuer Schaltschrank her, in dem alles reinpasst. Die Wahl fiel auf einen RITTAL 1060500 mit den Maßen 600x600x210mm. Auch, wenn bei einem direkten Vergleich beider Schaltschränke der Rittal ganz offensichtlich deutlich größer erscheint, wird im Verlauf des Aufbaus klar, dass durch die Hinzunahme des Frequenzumrichters dieser Vorteil auf die Probe gestellt wird. Aber dazu mehr in Folgeartikeln.

Vorüberlegungen

Nach dem ersten erfolgreichen Test der CNC-Maschine gilt es, die nächste Lernkurve zu nehmen: fräsen in Hartholz und Alu mit mehreren Werkzeugwechseln. Da bot sich etwas an, was schon länger in meinem Kopf und in der Fusion360-Cloud herumschwebte: eine neue Kindergarderobe. Schließlich musste ich schmerzlich erkennen, dass Feuerwehrmann Sam bei meinem Sohn nicht mehr IN ist. Und dieser klebte auf seiner alten Kindergarderobe. Den Halbkreis dieser einfachen Garderobe per Hand mit einer Oberfräse herzustellen war abenteuerlich – aber das ist eine andere Geschichte. Sicher war: die alte Garderobe muss weg.

Natürlich wurde Feuerwehrmann Sam bei meinem Junior nahtlos durch neue Helden ersetzt. Die Figuren aus Lego Star Wars sind nun IN und so bot sich an, dies als Thema für die neue Garderobe zu nehmen. Insbesondere ist der Millennium Falcon DAS Raumschiff. Die Idee war, dies in das Design der Garderobe mit einfließen zu lassen und den Falcon als glänzende Applikation über den Kleiderhaken thronen zu lassen.

Im Lastenheft stand folgendes auf dem Zettel:

• Breite von max. 50cm
• Es sollen mehr Kleidungsstücke aufgehängt werden können im Vergleich zur alten Garderobe
• Die Rahmendaten galt die Breite von ca. 50 cm.
• Mir schwebte ein Raumschiff als Alu-Applikation vor
• Die Kleiderhaken sollten passend aus Metall sein
• Als Holzfarbe soll dunkles Holz genommen werden, um einen ausreichenden Kontrast zu den hellen Alu-Applikationen herzustellen
• Der Schriftzug „Star Wars“ soll irgendwo sichtbar sein

Fusion360 war schnell gestartet und los ging es. Auf Pinterest hatte ich ein Schild gesehen, bei dem die Buchstaben nicht in das Holz eingefräst wurden, sondern sich erhoben. Gedacht, getan. Außerdem kam während der Konstruktion die Idee, dass sich der Millennium Falcon vom Hintergrund abgeben sollte und somit der Eindruck entsteht, dass er über dem Holzkörper schwebt.

Heraus kam dann folgende Konstruktion. Während der Konstruktion habe ich gleich die passenden Kleiderhaken bestellt. So konnte ich die Bohrungen direkt mit einplanen, die für die Montage der Haken notwendig waren.

Für ein anderes Projekt habe ich in meinem kleinen Holzlager noch amerikanisches Nussbaumholz liegen, das ich mir kurzerhand in passender Größe abgesägt und zweckentfremdet habe.

Die Fräsjobs

Es gibt bei der Erstellung der Fräsjobs mehrere Strategien.

Eine davon ist, den gesamten Job in ein großes Programm zu stecken und die Werkzeugwechsel programmgesteuert vorzunehmen. Funktioniert prima. Aber nur, solange alles glatt geht und kein Fräser abbricht oder etwas sonstiges unvorhersehbares passiert.

Die andere Strategie ist, je Tool oder je größerem Arbeitspaket separate Programme erzeugen zu lassen. Dies erhöht den Verwaltungsaufwand, weil darauf geachtet werden muss, dass die Jobs mit dem richtigen Tool in der richtigen Reihenfolge starten. Allerdings bietet diese Vorgehensweise den Vorteil, einen längeren Gesamtjob zeitlich auf mehrere kleinere zu verteilen. Unterbrechungen, die beispielsweise durch den Bezug frischen Kaffees oder ähnlichem entstehen, sind dadurch problemlos möglich. Oder – wie in meinem Fall – bricht ein qualitativ minderwertiger China-Fräser. Aus meiner Sicht ist es einfacher, auf solche unvorhersehbaren Ereignisse zu regieren, ohne das Werkstück direkt wegzuwerfen und neu anfangen zu müssen.

So teilte sich das Projekt in acht einzelne Jobs auf:

1. Planfräsen Das 30mm Werkstück wird auf 20mm plangefräst Dazu kam ein 20mm Nutfräser zum Einsatz. Zustellung 3mm, 15000 U/min, 1300mm/min Vorschub. Das wäre garantiert deutlich schneller gegangen, aber der Fräser hat seine besten Tage schon lange hinter sich und ist nicht mehr der schärfste Fräser im Schrank.
2. Innentasche 1 Der Außenrahmen wird herausgearbeitet Dies habe ich mit einem 6mm Fräser durchgeführt. 24000 U/min, 1400mm/min Vorschub. 2 Schruppdurchgänge einmal mit 3mm, dann mit 1,8mm Zustellung. Das Ganze wurde mit einem Schlichtdurchgang von 0,2mm abgeschlossen. Lessons learned: deutlich schneller wäre es gewesen, den 20mm Fräser des ersten Durchgangs zu verwenden und die Ecken mit dem 6er nachzuarbeiten….
3. Innentasche 2 Die Vertiefung des Millennium Falcon Mit demselben 6mm Fräser und denselben Eckdaten wie im vorherigen Job habe ich die Tasche des Millennium Falcon herausgearbeitet.
4. Schriftzug „grob“ Für die Erstellung des Schriftzugs kam ein 2mm Fräser zum Einsatz. Zustellung 1mm, 24000 U/min, Vorschub 1300mm/min. Je kleiner die Fräser, desto schriller der Klang. Dieser hat mich schon ansatzweise an einen Besuch beim Zahnarzt erinnert…
5. Schriftzug „fein“ Der 2mm Fräser hinterlässt in den Ecken eine Rundung von 1mm. Um die Schrift noch „schärfer“ darzustellen habe ich eine Restmaterialbearbeitung mit einem 1.1mm Fräser durchgeführt. Dabei fährt der Fräser die Ecken des Schriftzugs an und arbeitet die Ecke weiter heraus. Zustellung 1mm, 24000 U/min, Vorschub 1300mm/min.

Bei der Betrachtung des Zwischenergebnisses habe ich feststellen müssen, dass die Schrifttiefe von 1mm für meinen Geschmack nicht plastisch genug herausgearbeitet wird. Daher habe ich die Jobs vier und fünf nochmals durchführen mit einer weiteren Zustellung von 1,5mm durchführen lassen. Die Schrift ist nun 2,5mm hoch.

1. Ausfräsen Nachdem das Werkstück weitestgehend fertig ist, habe ich es mit einem 6mm Fräser aus dem Holzstück ausfräsen lassen. Zustellung 3mm, 24000mm/min, Vorschub 1500mm/min. Fusion hab ich noch angewiesen, Laschen stehen zu lassen, sodass sich das Werkstück nicht direkt aus dem Brett löst, wenn der Job beendet ist. Das hat wunderbar funktioniert.
2. Gravur des Millennium Falcon Auf einem 0,8mm starken Alublech habe ich mit einem Gravurstichel die Struktur des Falken in einer Tiefe von 0,1mm fräsen lassen. Dabei hat sich herausgestellt, dass eine Minimalschmierung trotz dieser geringen Tiefe notwendig ist. Das Aluminium erwärmte sich zu stark, sodass sich nur ein Teil der Späne löste und sich der andere mit der Oberfläche verschmolzen hatte. Der zweite Versuch mit Bohröl war besser, aber bei weitem nicht perfekt. Hier müssen noch weitere Feldversuche stattfinden.
3. Millennium Falcon ausschneiden Als letzte Aktion musste der Falcon noch ausgeschnitten werden. Dies geschah wegen der geringen Werkstücktiefe als Fase mit demselben Gravurstichel.

Das Finish

Die Garderobe wurde noch mit 220er Schleifpapier behandelt und geölt. Dies gibt eine sehr angenehme Haptik.

Es blieb dann nur noch, die Kleiderhaken zu montieren, den Falcon auf die die passende Stelle zu kleben und das Ganze an die Wand zu montieren.

Ich hatte vor zwei Jahren einen einfachen Gartentisch mit einfachen Bänken gebaut. Die Bänke waren nur ein Provisorium – und wie man es kennt – halten Provisorien immer am Längsten. Nachdem alles zwei Jahre dem Wetter und den Jahreszeiten schonungslos ausgesetzt waren, bedurfte zumindest eine der Bänke einer Überarbeitung. Zufälligerweise ist gerade die CNC-Maschine fertig geworden und so wurde diese Bank kurzerhand zum Testobjekt erklärt. Die Vorbereitung verlief in zwei Schritten:

• Das verwitterte Holz wurde zunächst geschliffen und so für die maschinelle Bearbeitung vorbereitet.
• Die Fräsung sollte am Ende mit Lasur eingefärbt werden. Um die ungefräste Sitzoberfläche vor der Lasur zu schützen, habe ich den Fräsbereich zunächst mit einer Schicht Klarlack vor dem Eindringen in das Holz geschützt.

Vor einigen Jahren war ich in Neuseeland und habe einiges über die Maori gelernt. Und so kam mir ein Maori-Tattoo als Objekt für die CNC-Maschine in den Sinn. Gesagt, getan.

Technische Umsetzung

Maori-Tattoo in Fusion360

Das gewünschte Maori-Tattoo habe ich mit dem Tool „Super Vectorizer“ in eine Vektorgrafik gewandelt und in Fusion360 importiert. Dort wurde es auf eine virtuelle Sitzfläche projiziert. Dabei habe ich die gewünschte Frästiefe von 3mm angegeben. Dies hat sich im Nachgang für meinen Geschmack als ein wenig zu tief erwiesen. Bei einer Wiederholung würde ich wahrscheinlich nur 1-1,5mm tief fräsen.

Durch die recht komplexe Objektstruktur war die Umsetzung in CAM ein wenig umfangreicher. Es galt, einen Kompromiss zwischen Qualität und Geschwindigkeit zu finden. War es wirklich immer notwendig, zunächst zu schruppen und zu schlichten oder reicht nicht nur ein Durchgang mit geringerer Geschwindigkeit?

Ich habe mich für unterschiedliche Strategien entschieden: bei den äußeren, größeren Dreiecksflächen habe ich mit der Kombination „Schruppen & Schlichten“ gearbeitet, bei dem Rest nutzte ich nur einen Durchgang mit geringerer Geschwindigkeit (1000mm/min).

Montage der Bank auf die CNC-Maschine

Die Realisierung

Die CNC-Maschine auf einem Tisch mit Rollen zu bauen hat sich als richtige Entscheidung herausgestellt. Nur so war es möglich, die beiden Bretter mit einer Länge von 3 Metern auf die Maschine zu spannen. Den gewünschten Fräsbereich habe ich zuvor mit Klebestreifen markiert, sodass die Bestimmung der Nullpunkte einfach von der Hand gingen.

Es war klar, dass die Gesamtdauer dieses Motivs etwa 1,5h betragen würde und so habe ich den vom CAM erzeugte G-Code in mehrere Teilprogramme ausgeben lassen. Dies hat sich zum einen bewährt, weil ich das Motiv über mehrere Etappen fräsen konnte. Zum anderen hatte dieses Vorgehen einen großen Vorteil, als mir mittendrin ein 1,1mm-Fräser abgebrochen ist. So brauchte ich das entsprechende Teilprogramm nur erneut starten. Zwar kann Mach3 auch mit Pausen arbeiten und seine Arbeit ab einer Stelle fortsetzen, die der Benutzer selber bestimmen kann, aber das erschien mir in meinem Fall ein wenig zu unhandlich zu sein.

Das Finish

Geplant war, die gefrästen Flächen einzufärben, um die Sichtbarkeit des Tattoos zu erhöhen. Um die Holzmaserung nicht zu überdecken, habe ich Holzlasur verwendet. Damit die Lasur nicht in die Holzflächen eindringt, die nicht eingefärbt werden sollen, habe ich vor dem gesamten Fräsvorgang die Oberfläche mit einigen Schichten Klarlack versehen.

Diese Strategie ging sehr gut auf. Die Lasur drang nur in die gefrästen Flächen ein. Nach dem Trocknen der Lasur konnte ich den Klarlack problemlos wieder mit der Schleifmaschine entfernen.

Es gibt Tage im Leben, die bedeutsamer sind als andere und länger im Gedächtnis bleiben. Für mich ist einer dieser Tage der heutige. Nach knapp zwei Jahren ist endlich meine CNC-Maschine fertig. Zwei Jahre, in denen ich

• gefühlt eine Bibliothek an Büchern, Foren und Anleitungen gelesen habe
• mich in CAD eingearbeitet und die Maschine konstruiert habe
• Alternativen geprüft, verworfen, neu konstruiert und wieder verworfen habe, bis endlich alles für mich passte
• Händler ermittelt und die benötigten Komponenten in der ganzen Welt gekauft habe
• alles zusammengebaut und dabei geflucht und mich gefreut habe

Alles lief auf einen Tag hinaus: HEUTE! 🙂

Das folgende Video zeigt den ersten Lauf meiner CNC-Maschine.

Dem sind natürlich etliche Stunden an Probeläufen, Referenzfahrten, Motorschrittermittlungen, Motortuning usw. vorausgegangen. Aber dies hier ist das allererste kleine Test-Projekt, das real durchgeführt wurde. Meine Finger lagen dabei permanent am Not-Aus-Knopf! 🙂 Die Sorge war unbegründet. Es lief alles reibungslos und die Maschine tat, was sie sollte.

In dem Video zeige ich euch die Erstellung des Harley-Davidson-Logos in Autodesk Fusion360, die Vorbereitung des Logos im CAM-Modul und den Fräsvorgang der Maschine. Die Maschine ist bei dem ersten Test mit 500mm/min Vorschubgeschwindigkeit eher gemütlich unterwegs. Geschwindigkeiten von 2000mm/min sollten bei Projekten dieser Art möglich sein – etwas, woran ich mich noch herantasten und die Grenzen der Maschine kennenlernen muss.

Aber seht selber.

Der Anschluss einer Chinaspindel und Frequenzumwandler (FU) an ein Steuergerät ist nicht trivial, vor allem, wenn man versucht, aus der Anleitung des FU schlau zu werden. Eines steht fest: meine mitgelieferte Anleitung spricht den ambitionierten Profi an. Zunächst möchte ich aber ein paar Worte zur Spindel verlieren.

Die Spindel

Ich hatte mir ein aus China importiertes Set Frequenzumwander (FU) mit wassergekühlter 2,2KW Spindel in UK bestellt. Meinen ersten Eindruck kannst du in dem Artikel „2.2 kW Spindel mit Frequenzumrichter“ lesen. Die Spindel bringt amtliche 5kg Gewicht auf die Waage und verspricht mit ihrer Wasserkühlung einen recht leisen Lauf.

Sie wird mit vier ER20 Spannzangenfutter geliefert, damit zumindest die ersten Fräsversuche durchgeführt werden können. Es bleibt also nicht aus, sich früher oder später ein Komplett-Set an weiteren Spannzangen zu kaufen. Ich habe zunächst ein günstiges Set bei eBay erworben und werde von meinen Erfahrungen berichten, wenn sie aus China bei mir angekommen sind.

Auf der Spindel klebt ein übergroßes CE-Zeichen. Das kann man getrost vom Gehäuse abknibbeln, denn wie im Netz bereits mehrfach zu lesen ist, ist das CE-Zeichen nichts wert. Die Spindel weist in ihrem Auslieferungszustand keine Erdung auf.

Diese habe ich selber eingezogen, indem ich den Deckel der Spindel abgeschraubt und ein Endungskabel an einer der Motorschrauben befestigt habe. Der Stecker bietet noch die Möglichkeit, dieses Endungskabel per Steuerleitung in Richtung Erdung der FU zu geben.

Der Frequenzumwandler

Meine Version des FU weist etwa 180 Einstellmöglichkeiten auf. Diese sind als Parameter einzustellen. Jeder Parameter kann unterschiedliche Status annehmen. Glücklicherweise reichen eine Hand voll Parameter für die Konfiguration der Frässpindel aus. Im Wesentlichen habe ich mich bei der Einrichtung des FUs und dem Setup der Parameter an die Anleitung von estlcam gehalten.

Für das vorgestellte Setup gilt, dass dies bei meiner FU funktioniert hat. Je nach Modell und Firmware kann es zu Unterschieden im Setup kommen. Ich habe alle Parameter mit Ausnahme der unten aufgeführten auf Werkseinstellungen belassen.

Es lassen sich in der FU noch viele weitere Einstellungen vornehmen. So ist es beispielsweise möglich, verschiedene Beschleunigungsrampen zu programmieren und bei Bedarf abzurufen. Aus meiner derzeitigen Sicht ist dies für meine CNC-Maschine nicht notwendig, da ich die Spindel über Mach3 und teilweise dem G-Code steuern möchte. Vielleicht ergibt sich nach einigen Betriebsstunden Szenarien, die diese Features nutzbar zu machen.

Strom an

Bevor ich den Weg beschreibe, wie ich die FU und die Spindel mit Strom versehen habe, möchte ich explizit auf den Hinweis aufmerksam machen, der zu Beginn dieses Artikels zu finden ist.

Zunächst: in den meisten Fällen sind die China-Frequenzumwandler nicht für 380V ausgelegt – auch wenn es in der Anleitung steht. Mein Terminal für die Stromanschlüsse sieht folgendermaßen aus.

Wie du die Leitungen der Spindel an U, V und W anschließt, ist zunächst egal. Sollte sich ergeben, dass sich die Spindel verkehrt herum dreht, tauscht du die Anschlussfolge aus. Zum Test habe ich den Parameter PD001 auf „0“ gestellt und ist somit die Bedienung per Tasten des FU aktiviert. Beim Druck auf „Start“ startete die Spindel, beim Druck auf „Stop“ stoppte sie 🙂 Works as designed.

Anschluss an das Triple Beast

Nachdem der manuelle Spindeltest erfolgreich abgeschlossen war, kommt der nächste Schritt: die Steuerung der Spindel über Mach3 durch das Triple Beast. Dazu sind vier Steuerleitungen nötig: zwei für das Relais zum Start/Stop der Spindel und zwei für das Steuer-Signal von 0-10V, die die Umdrehungsgeschwindigkeit von 6000 bis 24000 Umdrehungen regelt.

Folgendes Schaltbild habe ich realisiert.

[/av_textblock]

Konfiguration in Mach3

Damit die Spindel nun von Mach3 und mit dem G-Code gestartet werden kann, müssen nun einige Anpassungen passieren. Folgende Einstellungen habe ich vorgenommen:

In dem Reiter Motor Output gibst du den Pin deines Breakout Boards an (in meinem Fall Triple-Beast), auf dem das PWM-Signal ausgegeben wird.

Der Output-Pin ist im Fall vom Triple Beast Pin 1. Das kann bei anderen Breakout-Boards unterschiedlich sein.

Als letztes legst du unter „Config->Spindle Pulleys“ die minimale und maximale Drehzahl deiner Spindel fest. Dies muss den Parametern entsprechen, die du in deiner FU konfiguriert hast.

Nachdem alles geschraubt, angeschlossen, konfiguriert und PD001 wieder zurück auf „1“ gesetzt ist, kommt der große Moment. Der Start der Spindel und die Drehzahlregelung über Mach3. In meinem Fall über SchmidtScreen.

Spätestens mit dem Betriebsbeginn der CNC-Maschine entsteht die Notwendigkeit, den Schrank mit den eigenen Fräsern zu öffnen und eine Inventur anzustellen. Dabei ist es noch sinnvoller, die gefundenen Artikel in dem CAM- und (sofern möglich) in der Steuersoftware zu erfassen. Dies ist im Wesentlichen notwendig, um die richtige Strategie für den Fräsvorgang der Maschine zu planen. Ich will das kurz für Fusion360 erläutern, das neben der CAD-Funktionalität auch ein ausgewachsenes CAM-Modul mitbringt, das denselben Kernel wie die Profisoftware HSM mitbringt.

Unterschied CAD und CAM

Für Neueinsteiger ist die CNC-Welt mit ihrem Vokabular ein wenig undurchsichtig. Deshalb möchte ich kurz auf den Unterschied zwischen CAD (Computer Aided Design) und CAM (Computer Aided Manufacturing) eingehen. Dabei ist der Begriff CAD noch am geläufigsten. Mit einem CAD Programm wird ein Modell eines zu produzierenden Gegenstands hergestellt. Mehrere Einzelmodelle können dabei zu Baugruppen zusammengefasst und u.a. Bewegungs- und Materialbelastungssimulationen durchgeführt werden.

Ist das Modell erstellt, kommt CAM ins Spiel. Mit dem Programm wird der Herstellungsprozess des Werkstücks beschrieben. Dabei werden die Arbeitsschritte und Reihenfolge festgelegt, mit der die CNC-Maschine das Modell herstellt. Die Wahl des richtigen Fräsers ist für den erfolgreichen Arbeitsschritt immanent wichtig.

Die Anatomie jeden Fräsers wird in der Bibliothek erfasst. Dazu gehören beispielsweise die Stärke des Fräsers und des Fräserschaftes, die Anzahl an Schneiden usw. Dadurch Angabe dieser Daten erkennt Fusion360 bei der Errechnung des Fräspfades ggf. Fehler, die auftreten könnten. Wenn beispielsweise die Länge des Fräsers für due Werkstücktiefe nicht ausreicht, wird bereits während der Planungsphase eine Kollisionswarnung ausgegeben oder eine Fehlermeldung bei der Verwendung eines Fräsers mit zu großem Durchmesser wird direkt angezeigt. So ist es für den Benutzer recht einfach, die richtige Strategie für die Herstellung des Werkstücks zu entwerfen.

 Anatomie des Fräsers

Um eine Bibliothek der eigenen Fräser zu erstellen benötigt Fusion360 einige Angaben, die das Werkzeug beschreibt. Bei der Erfassung eines neuen Fräsers verlangt Fusion360 zunächst folgende Angaben:

• Cutting Edge
• Shaft Diameter
• Flute Length
• Shoulder Length
• Body Length
• Overall Length

Je nach Fräsertyp wie beispielsweise Fase- oder Abrundfräser werden weitere Angaben wie Grad der Fase oder Radius der Abrundung benötigt.

Die meisten Begriffe wie „Cutting Edge Diameter“ oder „Shaft diameter“ sind selbsterklärend. Angaben wie „Shoulder Length“ oder „Body Length“ bieten ohne weitere Erläuterung Interpretationsspielraum. Folgende Grafik erklärt die Angaben des Dialoges.

Des weiteren werden im Verlauf des Anlagedialogs noch Informationen über die gewünschte Rotationsgeschwindigkeit der Frässpindel bei Verwendung dieses Fräsers erfasst. Diese sind als Vorschlagswerte zu verstehen und werden bei einer Planung mit dem jeweiligen Fräser im CAM-Modul als Initialwerte genommen und lassen sich nachträglich individuell nach Material des Werkstücks anpassen.