Bauen Sie einen 3D-gedruckten CNC-Fräser:0,05 mm Genauigkeit auf Metall und Holz – Schritt-für-Schritt-Anleitung

In diesem Tutorial erfahren Sie anhand einer Schritt-für-Schritt-Anleitung, wie Sie eine CNC-Maschine bauen, damit Sie ganz einfach selbst eine bauen können. 

Dies ist eine vollständig 3D-gedruckte CNC-Maschine oder ein CNC-Fräser, den ich mit zwei spezifischen Zielen entworfen habe:so steif wie möglich und so einfach wie möglich zu bauen.

Übersicht

Die Steifheit wirkt sich direkt auf die Leistung der Maschine aus. Neben dem Gravieren und Schneiden von Holz wollte ich, dass dieser CNC-Fräser auch in der Lage ist, Aluminium zu gravieren und zu schneiden. Es stellte sich heraus, dass es das ziemlich sicher kann.

Hier ist ein Beispiel für die Bearbeitung eines Propellers aus Aluminium. Mit nur ein wenig Schleifen wurde die fertige Propelleroberfläche superglatt.

Ich habe auch einige Genauigkeitstests durchgeführt, indem ich verschiedene Formen aus Aluminium geschnitten habe. Wenn wir geeignete Vorschübe und Geschwindigkeiten verwenden, können wir die Aluminiumteile mit einer Genauigkeit von 0,05 mm herstellen.

Ich denke, das ist eine geringe Genauigkeit, wenn man bedenkt, dass es sich um eine 3D-gedruckte CNC-Maschine handelt, die einen Trimmer-Fräser und einen Arduino UNO und GRBL für die Bewegungssteuerung verwendet. 

Das Gravieren von Aluminium ist ein Kinderspiel. Ich habe ein paar Schlüsselanhänger-Gravuren mit sehr kleinen Details unter 1 mm gemacht, und sie sind großartig geworden.

Ich habe auch versucht, Messing zu gravieren, was ebenfalls großartig geklappt hat.

Modell von Etsy

Dieser 3D-gedruckte CNC-Fräser ist sogar in der Lage, Stahl zu schneiden.

Mein zweites Ziel für diese CNC-Maschine war es, so einfach wie möglich zu bauen, was bedeutete, dass ich für die Herstellung der Maschine kein Elektrowerkzeug verwenden wollte, kein Schneiden von Aluminiumprofilen mit einer Säge, kein Bohren, kein Gewindeschneiden …. Nichts.

Im wahrsten Sinne des Wortes können Sie diese CNC-Maschine mit nur einem Satz Inbusschlüsseln bauen, da ich sie speziell für die Verwendung von Standardkomponenten entwickelt habe, die problemlos von Websites wie Amazon, AliExpress oder einem anderen Geschäft Ihrer Wahl bezogen werden können. Es ist also fast wie ein Bausatz, den man einfach zusammenbauen muss. Nachfolgend finden Sie die vollständige Liste der für diesen CNC-Bau benötigten Komponenten.

Allerdings (es gibt natürlich eine Einschränkung):Sie benötigen einen 3D-Drucker, um diese CNC-Maschine herzustellen, aber ich glaube nicht, dass das eine große Sache ist, denn wenn Sie keinen haben, gibt es heutzutage so viele 3D-Druckdienste, bei denen Sie problemlos die 3D-gedruckten Teile dafür bekommen können.

Ich nenne es eine vollständig 3D-gedruckte CNC-Maschine, da die gesamte CNC-Struktur auf 3D-gedruckten Teilen basiert, einschließlich der X- und Z-Achsenplatten, der Fräserhalterung und sogar der Kugelumlaufspindel-Lagerblöcke, die 3D-gedruckt sind.

Das Design wurde optimiert, um die Tatsache optimal zu nutzen, dass wir komplexe Teile problemlos mit einem 3D-Drucker drucken können. In Kombination mit einigen 20x40-mm-Aluminiumprofilen, 15-mm-Linearschienen und 16-mm-Kugelumlaufspindeln ist es mir meiner Meinung nach gelungen, eine ordentliche Leistung herauszuholen. Es ist in der Lage, Teile aus Aluminium zu gravieren und sogar Präzisionsteile herzustellen, und die Holzprojekte sind ein Kinderspiel. Es kann problemlos jedes Hartholz schneiden und die Holzgravuren sind einfach perfekt. Schauen Sie sich einfach dieses 340 x 340 mm große 3D-Relief aus Buchenhartholz an. Es sieht umwerfend aus.

Der Arbeitsbereich beträgt 450 x 350 x 110 mm, aber das Coolste daran ist, dass wir diese CNC-Maschine problemlos skalieren können.

Wir können einfach längere Komponenten für einige der Aluminiumprofile, die Linearschienen und die Kugelumlaufspindeln verwenden und erhalten sofort einen größeren Arbeitsbereich, während alle anderen Komponenten und der Montageprozess selbst gleich bleiben.

Nachfolgend finden Sie Einzelheiten darüber, welche Komponenten den Arbeitsbereich der Maschine definieren, sodass Sie durch Auswahl der richtigen Komponenten den gewünschten Arbeitsbereich erhalten.

Verwandte Projekte:

3D-Modell und STL-Download-Dateien

Mit Onshape können Sie das 3D-Modell dieser DIY-CNC-Maschine direkt in Ihrem Webbrowser anzeigen.

Sie können das 3D-Modell dieser DIY-CNC-Maschine sowie die STL-Dateien für den 3D-Druck von Cults3D erhalten.

Stückliste

Nachfolgend finden Sie die vollständige Liste der Komponenten, die für diesen DIY-CNC-Bau benötigt werden.

Die angegebenen Abmessungen gelten für genau die gleiche Größe wie der von mir gezeigte CNC-Bau mit einem Arbeitsbereich von 450 x 350 mm.

Komponente Menge Links kaufen Aluminium-Strangpressprofil 2080 – 600 mm
(Y-Achse, benutzerdefinierte Länge)2Amazon |AliExpress Aluminium-Strangpressprofil 2040 – 600 mm
(X-Achsen-Basis, benutzerdefinierte Länge)3Amazon | AliExpress Aluminium-Strangpressprofil 2040 – 700 mm
(X-Achsen-Portal, benutzerdefinierte Länge)2Amazon |AliExpress Aluminium-Strangpressprofil 2040 – 200 mm2Amazon |AliExpress Aluminium-Strangpressprofil 2040 – 100 mm2Amazon |AliExpress Linearschiene HGR15 – 600 mm
(Y-Achse, benutzerdefinierte Länge) &(X-Achse, benutzerdefinierte Länge)4Amazon |AliExpress Linearschiene HGR15 – 300 mm (Z-Achse)2Amazon |AliExpress Kugelumlaufspindel SFU1605 – 500 mm
(Y-Achse, benutzerdefinierte Länge)2Amazon |AliExpress Kugelumlaufspindel SFU1605 – 600 mm
(X-Achse, benutzerdefinierte Länge)1Amazon |AliExpress Kugelumlaufspindel SFU1605 – 300 mm (Z-Achse)1Amazon |AliExpress Wellenkupplung 8 mm bis 10 mm4Amazon |AliExpress Schrägkugellager – 7001 P5-DB A-Paar (4 Paare)Amazon |AliExpress M12x1mm Kontermutter4Amazon |AliExpress Radialkugellager – 6000 – 2RS 4Amazon |AliExpress Eckwinkel 28x20x28mm
(mit passenden T-Nutensteinen und M5-Schrauben)18Amazon |AliExpress Eckwinkel 20x20x20mm
(mit passenden T-Nutensteinen und M5-Schrauben)8Amazon |AliExpress M5 Gleit-T-Nut100Amazon |AliExpress M5 Hammerkopf-T-Nut100Amazon |AliExpress M4 Gleit-T-Nut50Amazon |AliExpress M4 Hammerkopf-T-Nut50Amazon |AliExpress Schrittmotor NEMA23 4Amazon |AliExpress Schrauben mit Innensechskant
M3x12mm – 10
M3x16mm – 5
M3x30mm – 5
M4x10mm – 5
M4x12mm – 5
M4x14mm – 60
M4x25mm – 10
M5x12mm – 50
M5x16mm – 40
M5x20mm – 40
M5x30mm – 40
M5x50mm – 25
M5x60mm – 35
M5x70mm – 5 /Amazon | AliExpress

Offenlegung:Dies sind Affiliate-Links. Als Amazon-Partner verdiene ich an qualifizierten Käufen.

Skalieren der CNC – benutzerdefinierte Arbeitsbereichsgröße

Wenn Sie den Arbeitsbereich der CNC vergrößern möchten, können Sie einfach die Größe der Aluminiumprofile, der Linearschienen und der Kugelumlaufspindeln für die jeweilige Achse vergrößern.

Um beispielsweise den Arbeitsbereich in der Y-Achse von 450 x 350 mm auf 450 x 750 mm zu vergrößern, müssen wir die Länge des Y-Achsen-Aluminiumprofils, der Linearschiene und der Kugelumlaufspindel erhöhen. Der Unterschied beträgt 750-350=400 mm, daher müssen wir für die Y-Achsen-Teile 300 mm zur Basislänge dieser CNC-Maschine hinzufügen. Das wäre:

• Aluminium-Strangpressprofil 2080 – 600 mm + 400 mm =1000 mm
• Linearschiene HGR15 – 600 mm + 400 mm =1000 mm
• Kugelumlaufspindel SFU1605 – 500 mm + 400 mm =900 mm

Das gleiche Prinzip wird für die Skalierung des Arbeitsbereichs der Maschine in der X-Achse verwendet. Allerdings gibt es hier einen Unterschied, denn wenn wir die Portalgröße erhöhen würden, müssten wir ein weiteres Fachwerkstrukturelement hinzufügen.

Skalierung des Arbeitsbereichs der CNC-Maschine in der Y-Achse

Bitte beachten Sie, dass eine Vergrößerung der Maschine in der X-Achse oder im Portal zu einer Verringerung der Steifigkeit der gesamten Maschine führen würde, im Vergleich zu einer Vergrößerung der Y-Achse, die sich kaum auf die Steifigkeit der gesamten Maschine auswirkt.

Montage

Sie können dem folgenden Video folgen, um eine vollständige Schritt-für-Schritt-Anleitung zum Bau dieser DIY-3D-gedruckten CNC-Maschine zu erhalten.

Überblick über die Elektronik

Ich habe beschlossen, diese CNC-Bauanleitung aufzuteilen und in meinem nächsten Video die Elektronik und die Herstellung der Verkabelung und des Steuerkastens dieser CNC-Maschine sowie die Einrichtung der Maschine und die ersten Schnitte damit zu erläutern. 

Ganz schnell, diese CNC-Maschine basiert auf Arduino und GRBL. Ich habe einen Arduino UNO in Kombination mit einer CNC-Abschirmung verwendet, um alles einfach anzuschließen, und zum Antrieb der NEMA23-Schrittmotoren habe ich DM542-Schritttreiber verwendet.

Die Bewegungssteuerungs-Firmware ist GRBL, und für die Steuerung der Maschine und das Senden von G-Codes an sie habe ich den Universal-G-Code-Sender verwendet. Beide sind Open Source.

Ich meine, es muss nicht unbedingt Arduino und GRBL sein; Wir könnten mit diesem CNC-Build jede andere CNC-Steuerung verwenden, zum Beispiel LinuxCNC, grblHAL, Mach 3 oder Mach 4 und andere. Diese Kombination aus Arduino und GRBL ist die einfachste und kostengünstigste Option für eine CNC-Steuerung, ihr fehlen jedoch natürlich einige erweiterte Funktionen wie Echtzeitsteuerung und bessere Konfigurierbarkeit. Wenn Sie den Steuerkasten nicht selbst herstellen möchten, gibt es gebrauchsfertige CNC-Steuerkästen, auch wenn die Kabel für die Schrittmotoren im Lieferumfang enthalten sind.

Eine ausführliche Anleitung dazu, wie ich die Steuerbox für diesen 3D-gedruckten CNC-Fräser gebaut habe und wie man den GRBL einrichtet und die Maschine steuert, finden Sie im nächsten Video. Es wird auch ein separates Video geben, in dem ich Ihnen zeige, wie Sie das Abfallbrett und den Staubschuh für diese CNC-Maschine herstellen, und im Detail erkläre, wie Sie mit der CNC-Maschine beginnen und Ihre ersten Schnitte machen und wie ich diese Demoprojekte erstellt habe, die wir hier sehen.

Bevor wir dieses Tutorial beenden, möchte ich Ihnen noch ein paar Dinge zeigen, wie steif und genau diese Maschine ist und wie viel es kostet, sie zu bauen. 

Steifigkeit und Genauigkeit

Um die Steifigkeit dieser CNC-Maschine zu demonstrieren, habe ich eine 6-mm-Welle in die Oberfräse eingesetzt und mithilfe einer Messuhr gemessen, wie stark sich die Maschine durchbiegt, wenn eine Kraft auf sie ausgeübt wird. Zu diesem Zweck verwende ich einen Kraftmesser und eine Messuhr.

Die Messwerkzeuge:
Kraftmesser:Amazon | AliExpress
Digitale Messuhr:Amazon | AliExpress

Zuerst teste ich die Steifigkeit der X-Achse. Bei einer Kraft von 50 N biegt sich der Schaftfräser um etwa 0,16 mm bzw. 0,24 mm bei einer Kraft von 70 N durch. Andererseits betrug die Auslenkung in der Y-Achse etwa 0,22 mm bei einer Kraft von 50 N und etwa 0,32 mm bei einer Kraft von 70 N.

Das ist ein etwas schlechteres Ergebnis, wurde aber erwartet, da es sich um eine CNC-Maschine im Gantry-Stil handelt, die normalerweise eine geringere Steifigkeit auf der Y-Achse im Vergleich zur X-Achse aufweist. 

Was die Z-Achsen-Steifigkeit betrifft, habe ich bei einer Kraft von 50 N eine Durchbiegung von etwa 0,18 mm und bei einer Kraft von 70 N etwa 0,25 mm gemessen.

Diese Steifigkeit des CNC-Fräsers führte zu einer Genauigkeit von 0,06 mm beim Schneiden von Aluminium mit geeigneten Vorschüben und Geschwindigkeiten.

Dieses Testteil habe ich aus Aluminium mit folgenden Einstellungen gefertigt. Für das Schruppen:4 mm DOC, 1,2 mm WOD und 1200 mm/min Vorschubgeschwindigkeit. Der Versatz betrug 0,3 mm. Dann für den letzten Konturdurchgang 2 mm DOC mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 500 mm/min. Ich habe das Teil mit einer digitalen Messuhr gemessen und alle Formen in alle Richtungen lagen innerhalb einer Genauigkeit von 0,06 mm.

Ich werde es noch einmal sagen; Ich denke, das ist ein recht ordentliches Ergebnis, wenn man bedenkt, dass es sich um einen vollständig 3D-gedruckten CNC-Fräser handelt, der einen Trimmerfräser sowie einen Arduino und GRBL für die Bewegungssteuerung verwendet.

Schaufenster

Hier sind einige der Projekte, die ich mit dieser DIY-CNC-Maschine gemacht habe.

• 3D-Relief

Modell von Etsy – Ram Head

• V-Bit-Schnitzen und Schruppen

Modell von Etsy – Heart Box

• CNC-Inlay

• Aluminiumgravur

• Messinggravur

Modell von Etsy – Dragon Head

• Herstellung eines Propellers aus Aluminium

Bleiben Sie dennoch auf dem Laufenden, da weitere CNC-bezogene Inhalte folgen. Ich werde auch einen Discord oder ähnliches erstellen, damit jeder seine Erfahrungen beim Bau dieser CNC-Maschine teilen und eine Community aufbauen kann, um Probleme zu lösen und die Maschine zu verbessern.