Basteleien: Nov 2012: Vorüberlegungen

Werkzeuge

Ich habe keine wirklich guten Werkzeuge. Keine Drehmaschine, keinen guten Bohrständer, keine Fräse, schon gar keine CNC-Fräse (das ist ja gerade der Punkt). Für eine CNC-Fräse muß man aber extrem genau arbeiten, und dafür braucht man am besten gutes Werkzeug, am allerbesten eine CNC-Fräse. Da beißt sich die Katze also in den Schwanz.

Viele Dinge kann ich also nicht selbst machen, aber es gibt schon einige Teile fertig zu kaufen. Einige neue Werkzeuge werde ich brauchen.

Führungsschienen

Führungsschienen (oder Linearführungen) braucht man auf allen Achsen, jeweils zwei Stück davon für gute Genauigkeit. Diese Führungen sorgen dafür, daß sich die jeweilige Achse nur strahlförmig bewegen kann, d.h. sie verhindert die Bewegung in jeweils zwei der drei raumaufspannenden Achsen. Es gibt im Prinzip die folgenden Sorten Führungsschienen:

• Selbstgebaut: eine Stange oder ein Alu-V-Profil, über die mehrere Kugellager laufen.
  Vorteile: günstig.
  Nachteile: ungenau, wenig robust, d.h. für eine Aluminiumfräse ungeeignet, nur für Käsefräsen geeignet.
• Runde Stahlstangen, über die eine Gleitführung läuft.
  Vorteile: günstig, ziemlich genau.
  Nachteile: nicht sehr stabil, fast egal wie dick: die Durchbiegung solcher Stangen ist enorm, wenn Belastungen anliegen. Für 3D-Drucker und Gravierer ist sowas perfekt, die haben keine großen Belastungen. Für Aluminiumfräsen ist das aussichtslos.
• Runde Stahlstangen, die über die gesamte Länge von einem Aluminiumsteg gehalten werden, der an den Untergrund festgeschraubt ist. Über die Stahlstangen laufen offene Gleitführungen.
  Vorteile: günstig, über die gesamte Länge bessere Stabilität durch die Unterstützung mit dem Aluminiumsteg.
  Nachteile: die offenen Gleitführungen nehmen nicht in alle Richtungen Kräfte auf und sind weniger stabil als die geschlossenen Gleitführungen. Evtl. könnte man sowas für die Y-Achse nehmen, auf der keine Zugbelastungen sein werden.
• Profilschienenführungen: speziel geschliffene Stahlstangen zum Anschrauben an den Untergrund, auf einen spezielle, hochgenaue kugelgelagerte Wagen laufen
  Vorteile: überragende Genauigkeit und Stabilität.
  Nachteile: teuer. Außerdem durch die geringen Toleranzen extrem schwierig zu montieren. Der humorvolle Spitzname „Stahlspaghetti“ kommt nicht von ungefähr: von Haus aus sind die Profilschienen krumm. Nur mit einem exakten Untergrund und genauer Ausrichtung ergibt sich die nötige Genauigkeit.
  Und Vorsicht: die Kugeln fallen gerne aus den Wagen heraus, wenn man sie von den Schienen zieht. Dann ist der sicher 40 EUR teure Wagen hin. Es liegt normalerweise ein kurzes Plastikschienchen bei. Man sollte nicht dem Impuls nachgeben, mal kurz gucken zu wollen, wie es in dem Wagen aussieht!

Nach einigem Rechnen und Vergleichen gibt es nur eine Möglichkeit: Profilschienenführungen. Alles andere wäre ein schlechter Kompromiß für ein so großes Projekt, denn in den Linearführungen liegt ein wesentlicher Teil der Genauigkeit und Stabilität.

Die Schienen, die ich ausgesucht habe, müssen mit einer maximalen Abstandsvariation von 20µm parallel montiert werden, d.h. das wird eine Herausforderung. Ebenso empfindlich sind Winkelverzerrungen, d.h. es wird klemmen, wenn die Wagen nicht absolut senkrecht auf den Schienen sitzen.

Genauigkeit

Im Netz gibt es einige Leute, die Geduld haben. Sie können z.B. sehr genau von Hand eine Oberfläche glattschleifen. Das ist nötig, um eine absolut gerade Fläche zum Anschrauben der die Führungsschienen zu haben. Z.B. liest man von gespannten Gitarrenseiten als Referenz, zu der geschliffen wird.

Ich bin dazu nicht geduldig genug. Eine andere Lösung muß her. Eine gute Lösung schien mir, eine plane Fläche mittels Epoxi-Polymerbetons abzugießen, d.h. die Planheit einer Referenzfläche zu kopieren. Polymerbeton ist eine Mischung aus Füllmaterial wie beim Beton (z.B. Sand und Kies) plus Zweikomponenten-Epoxidharz. Insgesamt finde ich das Verfahren interessant und werde es so versuchen.

Also: eine Referenzfläche brauche ich. Ich brauche sowieso für den Frästisch eine beidseitig plane Aluminiumplatte. Glücklicherweise gibt es diese für faires Geld z.B. bei eBay: Aluminiumplatten, die beidseitig plangefräst sind. Ich habe nun eine in 550x350. Bevor in diese Montagelöcher gebohrt werden, werde ich sie als Referenzfräche nehmen.

Schließlich werde ich zum Anziehen der Schrauben einen Drehmomentschlüssel brauchen, denn bei unterschiedlichem Druck verziehen sich die Schienen. Ich habe einen recht ordentlichen für 2..25 Nm angeschafft.

Für weitere Genauigkeiten: ich kann mit meiner sehr guten Digitalschieblehre, die ich glücklicherweise schon hatte, bis ca. 10µm messen. Absolute Genauigkeit ist egal, Hauptsache, die Schieblehre mißt in dem Bereicht jedes mal gleich. 20µm sollten also gehen, wenn man nur genug Geduld hat. Die Schieblehre mißt maximal 153,72mm breit. Das wird ein Problem werden, denn die Schienen der Y-Achse werden weiter auseinanderstehen. Mal sehen, wie ich das lösen kann...

Epoxi-Polymerbeton / Mineralguß

Das Verarbeiten größerer Mengen Epoxidharz ist nicht ungefährlich: das Harz, d.h. das Monomer, ist normalerweise gesundheits- und umweltschädlich, sowie allergiesensibilisiered. Der Härter (z.B. Bisphenol A) steht unter diversen Verdächten und ist ätzend. Sobald beides zusammen ausgehärtet ist, und Polyepoxid entstanden ist, ist es ok und wird sogar für Lebensmittelverpackungen und Aquarienabdichtungen benutzt, aber vorher muß man vorsichtig sein. Durch Latexhandschuhe geht Epoxi durch. Nitril oder Butyl gehen. Aber zu dünne Handschuhe schützen nur sehr kurze Zeit.

Schließlich werde ich das Harz einfärben, damit die Maschine schön wird. Die Farbpigmente und den Staub aus dem feinsten Sand, der hineinkommt, sollte man nicht einatmen.

Also brauche ich: Schutzhandschuhe (aus Nitril, mindestens 0,4mm dick), einen Schutzanzug zum Auffangen von Spritzern, eine Atemschutzmaske der Schutzklasse A2P2 (A2 heißt, es hilft gegen die Chemiedämpfe, P2 heißt, es hilft gegen Stäube).

Zum Mischen und Verarbeiten braucht man noch diverse Becher, Eimer, Schüsseln usw. aus einem Kunststoff, von dem das Epoxidharz, welches ziemlich klebt, wieder abgeht. Am einfachsten ist Polypropylen, aus dem wirklich sehr viele Dinge sind. Die Kennzeichnung ist 05 oder PP. Silikon geht auch. Einen Rührstab für die Bohrmaschine habe ich auch noch besorgt, evtl. brauche ich soviel Epoxi aber nicht auf einmal. Wenn doch: Vorsicht, es spitzt.

Schließlich noch ein Problem: Epoxidharz wird beim Aushärten warm. Oder auch heiß. Hier muß man Hitzestau vermeiden. Falls es doch schiefgeht: Sand zum Löschen bereithalten und bei größeren Mengen zum Kühlen auch Wasser.

Zur Sicherheit werde ich ein elektronisches Bratenthermometer opfern und für Epoxi-Basteleien bereithalten.

Prinzipielle Form

Es gibt viele Arten, wie man einen Fräser in einem Werkstück in drei Dimensionen bewegen kann.

Die Höhe (Z-Achse) ist relativ klar, da muß irgendetwas über dem Aufspannteller schweben und die Fräse wird von dort aus senkrecht in das Werkstück gefahren.

Auf den X- und Y-Achsen kann man entweder den Teller oder die Fräse bewegen. Dadurch entstehen verschiedene Fräsentypen. Bei großen Fräsen (mehrere Meter) wird immer der Fräser in allen Achsen bewegt: man bewegt einen Querbalken schwebend auf zwei Linearführungen über den Teller in Y-Richtung. An dem Querbalken ist dann der Fräsaufbau montiert, der dort in X-Richtung bewegt wird. Dieser Aufbau hat den Vorteil, daß die Fräse nach unten komplett offen ist. Man kann dann z.B. auch mit einem Plasmaschneider oder Laser nach unten schneiden ohne die Fräsmechanik zu gefährden.

Bei kleineren Fräsen ist es weniger klar, was man machen will. Z.B. müssen die Führungen für den Querbalken nicht oben liegen, sondern man kann sie auch nach unten verlegen. Dann bewegt sich eine Brücke über den Aufspannteller. Oft ist die Brücke unter dem Aufspannteller nochmal verbunden, damit man nur eine Spindel benötigt. Das hat aber den Nachteil, daß der Aufspannteller schweben muß, was zu Stabilisierungsproblemen führt.

Man kann auch den Querbalken/die Brücke fest montieren und stattdessen den Teller in dieser Richtung bewegen. Das sind dann die Portalfräsen.

Schließlich haben standbohrmaschinenartigen Fräsen einen Kreuztisch, der in X- und Y-Richtung bewegt wird. Der Fräsaufbau fährt hier nur in Z-Richtung. Hier ist häufig die X-Richtung durch den Ständer begrenzt. Schwere Werkstücke machen u.U. auch Probleme, wenn der Kreuztisch stark auslädt.

Ich habe mich für eine Portalfräse entschieden: sie ist bei dem anvisierten Fräsbereich nur unwesentlich oder evtl. gar nicht größer als eine Fräse mit bewegter Brücke. Dafür kann man diese Fräsen sehr stabil bauen, ohne eine massive Brücke bewegen zu müssen.

Rahmen

Der Rahmen der Maschine entscheidet, ob man eine Käsefräse baut, oder eine Metallfräse. Der Rahmen muß steif sein, um sich unter den Kräften, die beim Fräsen entstehen, nicht zu verbiegen. Der Rahmen ist darum ein wesentlicher Unterschied zum 3D-Drucker, bei dem solche Kräfte nicht auftreten. Außerdem sollte er Vibrationen auffangen, damit die Fräse im Metall nicht hoppelt oder stottert, denn das gibt häßliche Muster.

Nach viel Recherche steht für mich fest: der ultimative Rahmen für eine CNC-Fräse besteht aus Polymerbeton. Komplett gegossen. Und die Maschine steht auf einem gemauerten, mit Beton ausgegossenen Fundament. Im Netz findet man tolle Bauten, die dann bei einem Verfahrweg von A3 durchaus mal 1,2 Tonnen wiegen. Sowas ist dann u.U. auch geeignet, Stahl zu fräsen. Leider ist sowas nix, wenn man vielleicht irgendwann nochmal umziehen möchte. Aber ultimativ ist es trotzdem.

Mein Kompromiß (leider recht teuer) ist ein Rahmen aus Aluminiumprofilen. Hier werde ich darauf achten, daß die Profile dick genug sind, bei Belastung mit 1000N an der schwächsten Stelle sich nur max. 20µm durchzubiegen. Bauen kann man mit den Profilen sehr einfach: es gibt alle möglichen Formen, Schaniere usw., um auch die Schutzverkleidung mit Tür zu bauen. Und im Netz gibt es Anbieter, die die Profile passend zurechtsägen.

Ein Problem haben die Profile: sie sind nicht genau genug dimensioniert, um die Linearführungen direkt aufzunehmen: man muß die Führungen an etwas Planeres schrauben, was dann ans Aluprofil geht. Abweichungen bis 0,2mm sind bei den Profilen erlaubt, außerdem sind die Seitenflächen normalerweise leicht konkav, so daß die Führungsschienen schief stehen würden.

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