Suzie Model One: Präziser CNC-PCB-Fräser im Eigenbau

Komponenten & Zubehör

Bauteil	Anzahl	Hinweise
Arduino UNO	1	GRBL Steuerung
Pololu A4988 Stepper-Treiber	3	Für X, Y, Z Achse (Microstepping)
NEMA 17 Schrittmotoren	3	X, Y, Z Antrieb
Zahnriemen & Riemenscheiben	Set	GT2, 6mm Breite (X & Y)
Trapezgewindespindel (Z-Achse)	1	Selbstgefertigt, 3D-gedruckte Mutter
Linearschienen & Führungen	Set	Für alle Achsen
Spindelmotor (dmw57314 Brushless)	1	Leiser als Dremel, Arduino-gesteuert
3D-gedruckte Teile	Set	Motorhalter, Lagerblöcke, Z-Schlitten etc.
Selbstgebautes GRBL-Shield (Lochraster)	1	Mit A4988 Treibern, alle GRBL-Pins
Z-Sonde (Taster)	1	Für präzises Nullen der Z-Achse

Werkzeuge & Maschinen

• 3D-Drucker (bq Prusa i3)
• Drehbank (für Trapezgewindespindel)
• Standardwerkzeug (Schraubendreher, Inbusschlüssel, Lötkolben)

Software & Firmware

• GRBL v1.1f (auf Arduino UNO)
• Arduino IDE (zum Flashen)
• Universal Gcode Sender (UGS) oder bCNC zum Steuern

Projektübersicht

Suzie Model One ist ein selbstgebauter CNC-Fräser, speziell für die Leiterplattenbearbeitung (PCB Milling) konzipiert. Ziel war eine steife, präzise und weitgehend automatisierte Maschine. Der einzige manuelle Eingriff beschränkt sich auf Fräserwechsel und das Positionieren der Z-Sonde.

Die Entwicklung erfolgte iterativ: Mehrere Bauteile wurden neu designed und gedruckt, um Steifigkeit und Laufruhe zu maximieren. Hauptprobleme waren Biegefestigkeit (Verzug beim Fräsen) und Ruckeln in Kurven (Jitter).

Abmessungen

• Außenmaße: 46 cm (B) × 62 cm (L) × 58 cm (H, mit Kabelkanal)
• Bearbeitungsbereich: ca. 20 cm × 20 cm × 6 cm (X, Y, Z)

Kinematik: X- & Y-Achse mit Zahnriemen (Null Spiel)

Statt Trapezgewindespindeln kommen Zahnriemen (GT2) zum Einsatz. Vorteile:

• Kein inhärentes Spiel (Backlash) – keine Firmware-Kompensation nötig.
• Kein ungleichmäßiger Verschleiß wie bei Spindelmuttern.
• Hohe Kraftübertragung, auch für Metallfräsen geeignet, bei korrekter Vorspannung.

X-Achse: Der Schrittmotor sitzt auf dem X-Schlitten, der Riemen ist am Maschinenbett fixiert. Der Motor bewegt sich mit.

Y-Achse: Umgekehrtes Prinzip: Motor fest am Rahmen, Riemen bewegt sich mit dem Y-Tisch. Dies erlaubt theoretisch beliebige Vergrößerung der Y-Länge, ohne das Design zu ändern (Lederschienen auf dem Tisch, Lager am Boden).

Z-Achse: Trapezgewindespindel mit 3D-gedruckter Mutter

Ein Riemenantrieb an der Z-Achse wäre bei Stromausfall gefährlich (Spindel stürzt in Werkstück). Daher Trapezgewindespindel, selbst auf der Drehbank gefertigt (metrisch, trotz Zoll-Maschine). Die Mutter wurde 3D-gedruckt absichtlich ohne Spiel (läuft nur durch reichlich Öl).

Restliche Flexibilität der Z-Führung (2–3 mm Hub bei Handkraft) wird durch langsames Eintauchen kompensiert: Das Gewicht von Z-Schlitten & Spindel drückt den Fräser in die korrekte Position. Bei weichen Materialien (FR4, Holz) reicht die Maximalgeschwindigkeit; bei Messing wird reduziert.

3D-gedruckte Bauteile

Ohne 3D-Druck wäre der Bau mit den vorhandenen Werkzeugen nicht machbar gewesen (komplexe Motorhalter, Lagerblöcke). Alle Teile wurden mehrfach iteriert für Passgenauigkeit & Steifigkeit. Sie reduzieren zwar die absolute Steifigkeit gegenüber Metall, ermöglichen aber kompakte Bauweise.

Elektronik: Arduino UNO + GRBL + Eigenes Shield

• Erste Version mit L298N/L297: Heiß, laut, kein Microstepping.
• Aktuelle Version: Pololu A4988 auf Lochrasterplatine, alle GRBL-Pins verfügbar (Endschalter, Sonde, Spindel-PWM, Kühlung).
• Deutlich leiser, kühler, längere Laufzeiten.
• Firmware: GRBL 1.1f, läuft sehr stabil.

Spindel & Z-Sonde

• Brushless Spindelmotor (dmw57314): Deutlich leiser als Dremel, per Arduino (PWM) drehzahlgeregelt.
• Z-Sonde: Einfacher „Always-On“-Taster. Fräser berät Sonde → Kontakt öffnet → GRBL merkt Position. Hohe Wiederholgenauigkeit, essenziell für PCB-Isolationsfräsen.

Fazit & Ausblick

Suzie Model One war ein hervorragendes Lernprojekt. Alle lösbaren Probleme sind gelöst; weitere Verbesserungen am aktuellen Design lohnen nicht mehr. Suzie Model Two wird aus Metall gebaut, übernimmt die guten Konzepte (Riemenantrieb X/Y, modulare Y-Länge) und beseitigt die Schwächen (Steifigkeit Z, Plastik-Zahnräder der Servos).

Links & Ressourcen

• GRBL Wiki: github.com/gnea/grbl/wiki
• GRBL Anschlussbelegung: Connecting Grbl
• Weitere Bilder & Details: #suziecnc auf Instagram