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.