Triple CNC-Maschine – Premium-Upgrade mit Brushless-Motor

Projektvorstellung

Nach einer Pause präsentieren wir die überarbeitete Version unserer „Triple CNC Machine“. Das Besondere: Statt der üblichen Spindelmotor/Dremel-Kombination kommt ein Brushless-Motor (Drohnenmotor) als Frässpindel zum Einsatz. Die Maschine beherrscht drei Funktionen im Wechsel:

• Gravieren/Fräsen mit Brushless-Motor als Router
• Laserschneiden & -gravieren (Lasermodul als Aufsatz)
• Plotten/Zeichnen mit Stift (Pen-Plotter)

Alle Wechselaufsätze sind als 3D-Druckteile ausgelegt („Plug-in“-System), sodass der Umbau werkzeuglos in Minuten erledigt ist. Die Konstruktion ist bewusst minimalistisch: keine überflüssigen Teile, keine Kabelwirrwarr.

Bauteile (Kernkomponenten)

Benötigte Werkzeuge

• 3D-Drucker (für Aufsätze & Halterungen)
• Lötkolben (für ESC, Endschalter, Spannungsversorgung)

Mechanik & Aufbau

Der Rahmen basiert auf OpenBuilds-V-Slot-Profilen (oder äquivalenten Aluminiumprofilen). Lineareinheiten: V-Rollen auf Profilen, angetrieben über GT2-Zahnriemen (X/Y) und Trapezgewindespindeln (Z). Die Brushless-Spindel wird über einen ESC (Electronic Speed Controller) angesteuert, der das PWM-Signal vom Arduino (oder CNC Shield Spindel-PWM) erhält. Der ESC wird vom 12 V-Netzteil gespeist.

Wichtig: Der Brushless-Motor benötigt eine geeignete ER11/ER16-Spannzange für Fräser. Kühlung (Luftstrom) einplanen! Für Lasermodus: Laserdiode mit Treiber (TTL/PWM) an Spindel-PWM-Ausgang, Schutzbrille & Gehäuse Pflicht!

Firmware & Software

Als Firmware kommt GRBL 1.1 (oder aktueller) auf dem Arduino UNO zum Einsatz. Der mitgelieferte HEX-Code im Originalprojekt ist ein vorkompiliertes GRBL mit angepassten Einstellungen (Steps/mm, Beschleunigung, Spindel-PWM). Für eigene Anpassungen: GRBL-Quellcode konfigurieren (config.h), kompilieren & flashen.

Steuerung per PC: Universal Gcode Sender (UGS), Candle, bCNC oder LaserGRBL (für Lasermodus). G-Code erzeugen mit Fusion 360 (CAM), Inkscape (Laser/Plotter) oder Estlcam.

GRBL-Konfiguration (Auszug)

$0=10  (Step pulse, µs)
$1=25  (Step idle delay, ms)
$2=0   (Step port invert mask)
$3=6   (Dir port invert mask)
$4=0   (Step enable invert)
$5=0   (Limit pins invert)
$6=0   (Probe pin invert)
$10=3  (Status report mask)
$11=0.010 (Junction deviation, mm)
$12=0.002 (Arc tolerance, mm)
$13=0  (Report inches)
$20=0  (Soft limits)
$21=0  (Hard limits)
$22=0  (Homing cycle)
$23=0  (Homing dir invert)
$24=25.000 (Homing feed, mm/min)
$25=500.000 (Homing seek, mm/min)
$26=250 (Homing debounce, ms)
$27=1.000 (Homing pull-off, mm)
$30=1000 (Max spindle speed, RPM)  // Für Brushless/ESC anpassen!
$31=0    (Min spindle speed)
$32=1    (Laser mode, boolean)
$100=80.000 (X steps/mm)
$101=80.000 (Y steps/mm)
$102=400.000 (Z steps/mm)
$110=5000.000 (X max rate, mm/min)
$111=5000.000 (Y max rate)
$112=500.000 (Z max rate)
$120=500.000 (X accel, mm/s^2)
$121=500.000 (Y accel)
$122=100.000 (Z accel)
$130=200.000 (X max travel, mm)
$131=200.000 (Y max travel)
$132=50.000 (Z max travel)

Hinweis: Die Werte für Steps/mm ($100–$102) hängen von Riemen/Spindel & Microstepping ab. Die Spindel-Max-Drehzahl ($30) muss zum ESC/Motor passen (oft 1000–30000). Laser-Modus ($32=1) deaktiviert Spindel-PWM-Rampen.

Wechselaufsätze (3D-Druck)

• Router-Mount: Hält Brushless-Motor + ER11-Spannzange, Luftdüse für Kühlung/Späne.
• Laser-Mount: Hält Lasermodul (z. B. 5 W 450 nm) mit Fokusverstellung, Lüfter.
• Pen-Mount: Federnd gelagerter Stifthalter (Servo oder Feder) für Plotterbetrieb.

Alle STLs sind im Archiv cnc_stl_uEcDxyRzHu.rar enthalten.

Schaltplan

Sicherheit & Tipps

• Augenschutz: Bei Laserbetrieb zwingend Laserschutzbrille (OD 4+ für 450 nm), Gehäuse mit Verriegelung.
• Späne & Staub: Absaugung bei Fräsen, Filter bei Lasern.
• Not-Aus: Hardware-Not-Aus-Taster an GRBL-Reset/Feed-Hold.
• ESC-Kalibrierung: Vor Inbetriebnahme ESC kalibrieren (Min/Max PWM).
• Spannung: 12 V/29 A Netzteil muss Spitzenströme von Motoren + ESC liefern können.

Dateien

• STL-Dateien für 3D-Druck: cnc_stl_uEcDxyRzHu.rar
• Schaltplan (JPG)
• GRBL-HEX (im Original als langer Hex-Dump enthalten – besser selbst kompilieren)