Die Fräse

Dieses Gerät ist das Ergebnis langjährigen Planens und Sparens. Wer heute, zum Beispiel bei ebay, nach CNC-Fräsen sucht, findet ein ordentliches Angebot an Fertiggeräten und eine wahre Fülle an Komponenten vor. Das war früher anders - die Erfahrungsberichte anderer Fräsenbauer beinhalten daher um so öfter eine intensive Zusammenarbeit mit und Planung und Ausführung durch ihre Lieferanten, je älter die Projekte sind.

Anlagen der geplanten Größenordnung - dazu später mehr - lagen in den späten 90ern auch im Selbstbau mit Fertigkomponenten deutlich über 10.000 D-Mark. Für fertige Maschinen, zumal wenn mit Elektronik und Software erworben, ging leicht das doppelte bis dreifache über den Tisch. Über das Segment professioneller Tischlereimaschinen mit unglaublichen Vorschubwerten wollen wir gar nicht erst nachdenken, jede Zahl hat dort mindestens 5 Nullen. Ich hatte mir vorgenommen, die Sache für 3.500 Euro zu verwirklichen. Später stellte sich jedoch heraus, dass das illusorisch war, wenn man wenig bis nichts selber machen kann. Mit mehr Möglichkeiten zur Eigenfertigung von Einzelteilen wäre das aber zu schaffen.

Trotzdem lässt sich viel Geld sparen, wenn man sich auf den Neukauf der wirklich notwendigen Komponenten beschränkt und alles andere da bezieht, wo man es günstig bekommt. Man kann im Baumarkt 50 Cent für eine Schraube ausgeben und die gleiche Schraube auch erhalten, wenn man sich die Mühe macht, den kaputten Staubsauger gründlich auszuschlachten, bevor er in den Müll wandert. Ach ja - die Arbeitszeit muss man ja berechnen. Wer noch nie eine Mußestunde hatte, für den trifft das sicher zu. Alle anderen können diese Stunde nutzen und sparen. Meine Anlage besteht aus vielen zugekauften Teilen - immer da, wo ich sie nicht selbst fertigen konnte. Sie beinhaltet aber auch die verschiedensten selbst gemachten Elemente, die den Gesamtpreis um eine satt vierstellige Eurosumme reduziert haben. Dennoch ging er - alle Komponenten berücksichtigt - gegen 5.000 Euro.

 

Planung

Am Anfang stand wie so oft die Zeichnung. Das Gerät sollte verschiedene Eigenschaften bieten, die gerade beim Bau und bei der Restaurierung von Möbeln sinnvoll sind:

So sah es in der Theorie aus:

Die Zeichnung und alle anderen Bilder sind hier übrigens stark verkleinert - wer sie speichert und lokal aufruft, kann in der Originalgröße manche Details besser erkennen.

 

Gerüstbau und Befestigung

Dieser Aufbau beinhaltet noch keine Antriebselemente, sondern es handelt sich nur um das Gerüst, das die beiden ersten der geforderten Eigenschaften, die Größe und Höhenverstellbarkeit der Arbeitsfläche, erfüllen sollte. Natürlich habe ich darüber nachgedacht, es aus Holzbalken zu fertigen, aber die hier erforderliche Präzision schloss das aus. Aluminiumprofil war das Werkstück der Wahl, ich habe mich für das mit der Bezeichnung "ProFix" entschieden - es ist kompatibel zu einigen anderen Herstellern und verfügt über 8mm Nuten bei einer Standardstärke von 40mm. Andere Maße gibt es ebenfalls, die kamen später auch zum Einsatz. Man erkennt, dass die Nuten hier an ihrem Boden ein Halbrund bilden - diese Bauform bietet zwar einen erheblichen Vorteil, verhindert aber auch die Einlage ganz normaler Muttern und erzwingt damit die Verwendung von Nutensteinen. Dazu gleich mehr.

Es gibt hier verschiedene Materialstärken zur Auswahl, sie nennen sich Leicht, Extraleicht etc. und reichen von der abgebildeten dünnwandigen Version bis hin zu einem quasi vollmassiven Alubalken mit Nuten. Das Gewicht bestimmt hier auch den Preis und da ich mangels schwerer Werkstücke keine besonderen Anforderungen an die Stabilität hatte, war das günstigste gerade gut genug. Ich habe das Material bei der Firma Metallstore in Dornburg (Nähe Limburg) bezogen, diese Firma hat mich auch im weiteren Verlauf des Projektes super beraten und unterstützt, denn es stellte sich heraus, dass sie nicht nur Metall vertreibt, sondern gerade in Mechanik und Elektronik des Anlagenbaus sehr bewandert ist. Unter gleichem Namen ist sie übrigens auch als ebay-Händler aktiv.

Für den Zusammenbau der Aluprofile werden Nutensteine in die Nuten eingebracht. Das sind quasi Muttern und als solche haben sie ein Innengewinde (hier M8). Nur sind sie eben länglich und verfügen über eine runde Unterseite. Der Witz an der Sache ist nämlich, dass man sie - im Gegensatz zu Muttern - aufgrund der runden Unterseite auch in die Nut einschwenken und nicht bloß seitlich einschieben kann. Somit ist das nachträgliche Verändern und Hinzufügen von Anbaukomponenten ohne Demontage möglich, was einen enormen Vorteil darstellt. Zusätzlich sind gute Nutensteine auf der runden Rückseite mit einer federgelagerten Kugel ausgestattet, die sie in der Nut festklemmt. Daher fallen sie auch in senkrechten Nuten nicht nach unten. Dafür aber kosten sie den für meine Begriffe unglaublichen Betrag von bis zu einem Euro pro Stück! Wenn man bedenkt, dass man für den geplanten Aufbau davon hunderte braucht, werden Nutensteine und Winkel (hier wird man ohne weiteres einen Fünfer pro Stück los) für das Verbinden der Profile zu einem Kostenfaktor, der die Größenordnung des Aluprofils problemlos übersteigt. Einige Händler bieten daher gern das Profil günstig an, denn das holen sie über die Verbindungen wieder rein und deren Notwendigkeit bemerkt der Kunde oft erst im zweiten Schritt. Mangels vieler Bezugsquellen kann er dann auch nicht einfach zum nächsten Baumarkt gehen. Das war der erste Punkt, an dem ich nach Alternativen gesucht habe.

Stuhlwinkel gibt es in jedem Baumarkt, aber solche mit einer mittigen 10mm Bohrung bei maximal 4cm Breite habe ich nicht gefunden. Am Ende bin ich glücklich über einen großen Restposten gestolpert und auf einmal kosteten Winkel nur noch einen Euro und Nutensteine nur noch 20 Cent. Bei hundert Winkeln und 200 Nutensteinen war das ein Unterschied von 140 tatsächlich gezahlten zu 700 befürchteten Euro und das soll ein Wort sein. Die passenden Schrauben waren gleich mit dabei.

Erstmal glücklich mit meinen Einkäufen habe ich nun das Gerüst aufgebaut. Es folgte in jedem Punkt der ursprünglichen Planung und hat lichte Innenmaße von genau 2000 * 1000 Millimetern. Im Bild rechts "liegt" es noch am Boden, die Füße stehen im Innenraum - links sind sie dann angebracht zu sehen. Die 6 Füße dienen dem Zweck, den Kontakt und damit die Schallbrücke zum Fliesenboden zu minimieren und bieten außerdem über ihre Schraubgewinde eine Justiermöglichkeit, um Bodenunebenheiten auszugleichen und die Anlage genau in die Waage zu stellen.

Fast alle Profilstücke sind exakt einen Meter lang, mit dieser Abmessung habe ich darauf geachtet, dass ich sie wieder verkaufen kann, wenn ich mich das Gerüst betreffend mal anders entscheiden sollte. Auch werde ich bei Zusatzbedarf an Profilen die Zwischenstreben mit reiner Stützfunktion durch Holz ersetzen. Die beiden mittleren Längsstreben münden in zwei Querstreben, die wiederum an jeder Seite an zwei mittlere Pfosten angebracht sind. Diese mittleren Pfosten verfügen über eine Lochreihe im Abstand von 10 Zentimetern (Detailfoto rechts). Mit dieser einfachen Lochreihe kann die gesamte mittlere Strebengruppe in 10cm Schritten höhenversetzt werden.

Diese Vorrichtung sichert damit die Aufnahme von Werkstücken mit großer Höhe, ohne dass dies durch eine lange Z-Achse der Mechanik erreicht werden müsste. Eine kurze Z-Achse bringt ein flaches Portal mit sich. Das gibt dem ganzen mehr Stabilität und war der Grund für diesen Aufbau. Das Bild rechts zeigt übrigens weitere Einsparungen: Die Führung für die Energieketten und ihre Stützen muss man nicht aus Aluminium kaufen - ein Spanplattenstreifen und ein paar auf Gehrung geschnittene Balkenreste erfüllen den gleichen Zweck.

 

Der Aufsatz

Sobald das Gerüst stand, kam der Aufsatz an die Reihe. Dies war neben der Elektronik der Punkt, in dem ich am meisten auf die Erfahrungen und Kenntnisse der Leute angewiesen war, die sich mit dieser Materie eben auskennen. Ich will mich nicht zum Maschinenbauer und Platinendesigner weiterbilden, sondern das Werkzeug nur benutzen. Das brachte aber mit sich, dass dieser Punkt auch der kostenintensivste war, denn wer zu unwissend zum selber machen ist, der muss eben zahlen. Wer genügend Zeit hat, kann hier erhebliche Summen sparen, indem er sich auf die Suche nach einem anderen Fräsenbesitzer begibt, der die benötigten Kleinteile fertigt. Man kann auch eine Kleinanlage kaufen, sich damit vertraut machen, die benötigten Kleinteile damit fertigen und sie später wieder verkaufen. So habe ich es gemacht, um die Grundprinzipien des CNC-Fräsens zu verstehen. Zum Fertigen der Alu-Kleinteile reichte das aber nicht.

Der Aufbau besteht zunächst aus einem Rahmen. Zwei Profilbalken der Breite 80mm bilden dessen Längskanten, zwei weitere der 1 Meter Stücke 40*40 die Querseiten.

Unter den breiten Längsbalken verläuft, an beiden Enden gelagert, eine Kugelumlaufspindel. Hier eingedreht sitzt eine Mutter, die unter dem Portalrahmen verschraubt ist und sich nicht von ihm lösen kann. Da auch die Spindel fest montiert ist und sich zwar drehen, aber nicht fortbewegen kann, bleibt der Mutter nichts anderes übrig, als auf Drehungen der Spindel mit stetiger Fortbewegung zu reagieren und das an ihr befestigte Portal dabei mitzuschleppen. Das Bild rechts zeigt diesen Aufbau von unten fotografiert, man erkennt die Kugelumlaufmutter, die breite Portalstütze und das Stückchen Aluminium, das beide verbindet.

Beide Spindeln werden über Zahnriemen angetrieben, die mit einem mittig montierten Motor verbunden sind. Ein einseitiger Antrieb kommt für diese Dimensionen nicht in Frage, da das obenauf sitzende und bewegliche Portal verkanten würde. Ein mittig angebrachter hätte zwar technisch funktioniert, scheidet aber auch aus, da der Innenraum für die Höhenverstellung der Arbeitsebene benötigt wird.

Diese Antriebsform, kombiniert mit einem 1 Meter breiten Portal, dass gut seine 30 Kilo wiegt, stellt ganz nette Ansprüche an die Kraft des Schrittmotors, der das ganze in Bewegung versetzen soll. Ein Newtonmeter Drehmoment sollte es mindestens sein. Was schwächer war, hat sich bei verschiedenen Tests rauchend verabschiedet oder gar nicht erst bewegt. Mein erster Versuch waren ältere Minebea Motoren mit gut 0,7 Nm (Bild rechts). Noch zu DM Zeiten habe ich drei Stück davon für 50 Mark ergattert, ein prima Schnäppchen zum Testen. Mehr aber auch nicht, denn einer davon ging mir verloren, als ich allen möglichen Lieferanten meine Pläne vorgestellt habe und die anderen beiden haben meine Testreihen nicht überlebt. Da musste offenbar mehr Power ran.

Mit dem Nanotec ST5818D habe ich heute den stärksten Motor am Start, den es - Stand Sommer 2005 - in der Baureihe mit 56mm Flansch (47mm Lochabstand) überhaupt gibt. Er bringt 2,5 Newtonmeter ins Rennen und schleppt das Portal munter hin und her. Dabei bietet er eine enorme Kraft auf. Als ich einmal ein kleines Gerüst zur besseren Führung der Energieketten seitlich angebracht habe, ist dieses zu weit nach innen geraten und das Portal stieß dagegen. Statt aber stehen zu bleiben, hat der Motor ohne Schrittverlust die mit 8 Schrauben fixierten Stuhlwinkel dieses Gerüstes erst weggebogen und schließlich ihre Schrauben aus der Spanplatte gerissen, in der sie 2cm tief steckten. Das Portal fuhr einfach durch das Hindernis hindurch. Wer das mal mit zwei Händen versucht, kann sich vorstellen, mit welcher Kraft die 10mm Welle dieses Motors dreht. Je stärker die Motorkraft, desto höher auch die mögliche Vorschubgeschwindigkeit unter Last (also mit dem Werkzeug im Material). Sicher hat dieses Prinzip hinsichtlich der Qualität und Hitzeentwicklung der Fräser auch seine Grenzen. Da es aber bei großen Werkstücken auch in diesen Grenzen viel Zeit einspart, habe ich diesen Motor später auch für die Y- und Z-Achse nachgerüstet. Bei der Z-Achse waren dabei weniger Kraft und Geschwindigkeit Ausschlag gebend, als vielmehr die hier deutlich geringere Hitzeentwicklung. Die kann bei Schrittmotoren so beträchtlich sein, dass sie daran verrecken - später mehr dazu. Es gibt den Motor auch mit beidseitiger Welle, wobei eine mit 10 und eine mit 6mm aus je einem Ende herausragt. Auch davon habe ich mir ein Exemplar beschafft, um eine Basis für spätere Versuche mit dem CNC-Drechseln zu haben.

An der Aufnahme des Motors ist zu erkennen, dass zwischen Motor und Aufnahme noch kleine Distanzelemente stecken. Die sind hilfreich, wenn die Welle eines neuen Motors zu lang ist, um in die vorgefertigte Aufnahme zu passen. Das Element hat eine Spitze mit Gewinde und auf der Rückseite ein Innengewinde gleicher Stärke. Der Witz an diesem speziellen Bauteil ist aber vor allem, dass dieses Innengewinde in ein Stück Gummi eingelassen ist. Es wirkt als Resonanzpuffer und kann den entstehenden Maschinenlärm deutlich reduzieren.

 

Elektronik

Natürlich kann der Motor seine Kraft nur entwickeln, wenn ihm von Seiten der Elektronik genügend Saft eingeschenkt wird. Ich habe seinerzeit die Seiten von Dirk Haupt gesehen und ihn einfach mal gefragt, ob er die Steuerung für meine Anlage bauen möchte. Basierend auf seinen Entwürfen entstand eine 4-Achs Steuerung, die nicht nur 4 Ampere pro Phase liefert und damit heute auch meinen Nanotec ausreichend füttert, sondern zusätzlich noch eine Tangentialachse bereitstellt, da sie vornehmlich für den Folienschnitt gedacht war. Die brauche ich momentan noch nicht, kann aber noch werden. Da ich hinreichend klargestellt habe, dass ich hier nicht das geringste selber machen kann und auf fertige Verbindungen angewiesen bin, hat Dirk die Steuerung gleich mit den benötigten Kabeln und Steckern geliefert - Plug&Fräs sozusagen.

Die Steuerung besteht aus der Stromversorgung, der Endstufenplatine und der Platine zum Anschluss an die parallele Schnittstelle des Rechners. Dort läuft eine Software, die entsprechende Signale liefert. Die Steuerung wandelt diese in Impulse für die Motoren um. Damit ist allerhand Spielerei möglich und es gibt ungezählte Fettnäpfchen zum Ausprobieren. Auf ein Gehäuse hat der Schotte in mir verzichtet, das können wir schließlich selbst bauen. Das Bild zeigt das derzeit eingesetzt Provisorium, das aus alten Bilderrahmen-Rückwänden und alten Münzschautafeln besteht. Letztlich brauchte ich zum Fräsen eines Steuerungskastens aber eine Steuerung, das (provisorische) Huhn musste also vor dem Ei da sein. Nun aber ist eines der nächsten geplanten Projekte, einen passenden Kasten zu fräsen und in den Aufbau der Anlage zu integrieren.

Die Steuerung verfügte übrigens nicht über eine Stromabsenkung, was sich aber als notwendig erwies und daher nachgerüstet wurde. Außerdem erkennt man auf dem Bild oben, dass zwischen Spule und Kondensator ein Gleichrichter sitzt. Der hat die Eigenschaft, sich bei Dauerbetrieb zu erwärmen und da er die Wärme auf der Hartkunststoffplatte, auf der er im Bild noch sitzt, nicht gut ableiten konnte, hat er sie im Dauerbetrieb gespeichert, bis er hin war. Heute sitzt sein Nachfolger an der Aluwand des Gehäuses, die damit prima als Wärmeableitung fungiert.

Bei diesen beiden Problemen habe ich wieder bei Metallstore schnelle Hilfe gefunden, wo es eben nicht nur Metallkenntnisse gibt, sondern darüber hinaus einen Komplettservice zum Fräsenbau. Auch und besonders in Sachen Elektronik. Warum übrigens eine Stromabsenkung? Mit dem Einschalten wird der Motor mit Strom versorgt, den er in Bewegung umsetzt. Nun drehen Schrittmotoren ja nicht immer und während eine Achse steht, kann sie den weiterhin fließenden Strom nicht in Bewegung umsetzen - es bleibt nur die Umsetzung in Wärme. Mit der heizt sich der Motor - je nach Modell - solange auf, bis er hinüber ist. Moderne Motoren mindern diesen Effekt, der erste meiner drei alten Testmotoren fiel diesem Prinzip aber zum Opfer. Als Organspender stellte er noch zwei kugelgelagerte Ringe (heute die Basis für das Kleinteilekarussel), einen Rundmagneten (heute ein feiner magnetischer Bohrerhalter) und gut 100 Meter zweifarbigen Basteldraht zur Verfügung. Die Stromabsenkung ermöglicht das separate Einstellen des Stroms bei inaktiven Motoren: Der Strom muss klein genug sein, damit der Motor nicht überhitzt, aber auch groß genug, damit er die Position hält - einfach elektronisch gesteuert abschalten funktioniert daher nicht. Dies war der Grund, später auch die Z-Achse mit dem Nanotec-Motor aufzurüsten.

Die Elektronik war für mich ein Buch mit sieben Siegeln, ich hatte keine Möglichkeit, darauf Einfluss zu nehmen. Zum Glück funktioniert sie aber und damit erstmal zurück zum Portal.

 

Das Portal

Der Grund für die benötigte Motorenkraft auf der X-Achse und eben auch die beste Eigenschaft der Anlage ist das Portal mit einem Y-Verfahrweg von etwas mehr als einem Meter. Es basiert auf zwei senkrechten Portalstützen aus 120mm breitem Aluprofil. Dazwischen verläuft eine Querstrebe mit 80mm Breite. Diese Materialstärken waren notwendig, denn hier kommt es auf höchstmögliche Steifigkeit an, wenn das Fräsergebnis stimmen soll.

Die Portalstützen sind wie oben beschrieben mit den Antriebsspindeln verbunden. Zusätzlich sind sie auf je zwei Führungswagen geschraubt, die sich auf zwei Linearschienen in X-Richtung bewegen. Die Schienen sichern die parallele Bewegung der Portalstützen und die über Zahnriemen mit dem Motor verbundenen Spindeln treiben das ganze an. Auf dem Portal ist das gleiche Prinzip realisiert, auch hier findet sich (auf der Rückseite) eine Spindel und (auf Ober- und Unterseite) je eine Linearführungsschiene. Diese Mechanik bildet die Y-Achse und bewegt die Werkzeugaufnahme mit der Z-Achse, die wiederum das Werkzeug heben und senken kann.

Hier links erkennt man gut, wie die Führungsschiene an der Seite der 80mm breiten Längsbalken befestigt ist und wie das Portal mit den Wagen daran entlangläuft. Die Führungswagen verfügen über kleine Abstreifer, die Staub auf der Schiene wegschieben, damit er nicht in die Kugellager gerät. Ein kleines, aber wichtiges Detail, denn hier entsteht eine Menge Staub. Die Wagen haben zudem einen Schmiernippel und können daher nachgeschmiert werden. An dem kleinen Holzteil hinten im Bild (wieder ein Münzschautafel-Rest, wie an der eingefrästen Münzvertiefung erkennbar ist) befindet sich der Endschalter, der für Referenzfahrten benötigt wird und zugleich das Portal stoppt, wenn es unvorhergesehen anders fahren sollte als beabsichtigt. Kleine Hilfsteile wie die benötigten Schuhe für solche Schalter und andere Dinge habe ich aus Holz gefertigt. Im Bild weiter oben erkennt man das auch an der Kabelführung für die Y-Achse und dem Schuh für den Endschalter der Z-Achse,

 

Z-Achse und Werkzeugaufnahme

Auf dem Portal bewegt sich wie erwähnt das komplette Bauteil der Z-Achse. Es ergab sich im Projektverlauf, dass die Firma Metallstore vor meiner noch eine andere Anlage fast identischer Dimension gefertigt hat. Damit lagen sehr detaillierte Erfahrungen zu genau den benötigten Elementen vor, die mir viel Nutzen gebracht haben. Im Prinzip sieht meine Z-Achse genauso aus wie das rechts abgebildete Element oder anders gesagt entstand dieses Element aus den Planungen für meine und die andere Anlage.

Der Aufbau von oben nach unten beinhaltet folgende Komponenten:

Meine Z-Achse folgt dem gleichen Prinzip, hat jedoch einige abweichende Merkmale:

So sieht's im Detail und (rechts) mit eingesteckter Oberfräse aus. Meine grüne Oberfräse von Bosch ist zwar lauter und auf lange Sicht sicher nicht so haltbar wie eine professionelle Spindel, aber für meine Zwecke reicht sie momentan völlig. Ich habe über die Jahre ein ganz ansehnliches Sortiment an Fräsern zusammen getragen und über weitere Fräseraufnahmen für größere oder kleinere Schaftdurchmesser erschließt sich auch die Welt von Dremel & Co.

Links erkennt man wieder den Endschalter mit selbst gebasteltem Schuh, darüber die Balgkupplung und eine Doppelsteckdose, die ich auf der Rückseite der Z-Achse montiert habe. Dadurch kann ich jedes beliebige Werkzeug einfach anschließen und für eine mögliche spätere Staubabsaugung steht gleich noch eine zweite Steckdose zur Verfügung.

Die Spindeln meiner Anlage haben eine 10er Steigung, das bedeutet, dass sich die Mutter samt den daran befestigten Elementen bei einer vollen Umdrehung der Spindel um 10 Millimeter verschiebt. Die Auflösung der Anlage richtet sich nun danach, wie viele Winkelschritte die Motoren pro Umdrehung leisten und welche Teilschritte die Steuerung unterstützt. Aber der Reihe nach: Meine Motoren drehen sich um 1,8° pro Schritt und brauchen damit 200 Schritte für eine volle Umdrehung. Daraus ergibt sich eine Auflösung von 1/20 oder 0,05 Millimeter, das ist die Strecke, die mit einem Motorschritt gefahren wird. Da die Steuerung auch Halbschritte realisieren kann, reduziert sich das nochmal auf die Hälfte von einem Vierzigstel oder 0,025 Millimeter pro Impuls.

Solche Auflösungen spielen in der Holzbearbeitung keine Rolle, eine Auflösung von einem halben Millimeter würde für meine Zwecke ausreichen und die Möglichkeiten der Anlage sind damit bestens geeignet. Wer's aber noch exakter braucht, für den gibt es auch Motoren mit 0,9° Winkelschritten, Steuerungen mit Viertel- und Achtelschritten sowie Spindeln mit viel feineren Steigungen. Damit kann man im wahrsten Sinne Haare spalten.

 

Funktion

Wie funktioniert nun das Ganze? Im Prinzip wie ein Flachbettplotter. Man erstellt eine Zeichnung in einem Zeichenprogramm, das einen Export in übliche Plotformate erlaubt. Hierbei wird eine alte "Plottersprache" von HP verwendet, die eine Zeichnung durch die numerische Angabe von Vektoren darstellt. Zum Beispiel kann ein Kommando in einer solchen Plotdatei (Suffix PLT) lauten, die Entfernung X in Richtung Y zurückzulegen. Mit ein paar Kenntnissen in dieser Plottersprache kann man einfache Zeichnungen (Rechtecke etc.) auch manuell programmieren und braucht sie nicht erst umständlich zu zeichnen und umzuwandeln.

Die so erstellte Datei wird in ein Programm geladen, das auf dem Rechner mit der Anlage läuft. Dieses Programm erkennt die Anweisungen der Datei und gibt sie über die Druckerschnittstelle als Schrittanweisungen an die Steuerung weiter, ergänzt um weitere Funktionen wie zum Beispiel die Angabe der Geschwindigkeit. Die Steuerung wiederum trennt die Signale auf und leitet sie an den richtigen Motor weiter. Wer den eigenen Rechner in der Nähe der Anlage betreibt und eine ausreichend starke funkgesteuerte Parallelportverbindung schafft (Kabel haben hier begrenzte maximale Längen), der spart den zweiten Rechner und Monitor komplett ein, denn den Parallelport braucht man heute kaum noch für den Drucker und er ist somit verfügbar. Falls nicht, lässt sich ein zweiter konfigurieren, die meisten Mainboards unterstützen das von jeher.

Man muss aber auch bedenken, dass es ausgesprochen sinnvoll ist, die Steuerungssoftware in Sichtweite der Anlage zu bedienen und notfalls eingreifen zu können, denn hier wie überall gilt Murphys Gesetz: Was schiefgehen kann, wird schiefgehen. Es braucht eine Reihe von Tests und Fehlversuchen, bis alles zufrieden stellend eingerichtet ist und läuft.

 

Kosten und Dauer

Von der Idee zum Produkt hat es bestimmt 6 Jahre gedauert. Ich habe bereits Ende der 90er eine Kleinanlage gekauft, an der ich erste Tests durchgeführt und das Prinzip und Datenformat kennen gelernt habe. Auch die Steuerung war bereits Jahre vor dem Rest der Anlage da. Nach und nach kamen immer neue Ideen, die Anlage berücksichtigt sie bereits in ihrem Aufbau. So zum Beispiel eine Aufnahme für Stifte oder Windows-Colour-Flaschen, die die Anlage als 2qm Flachbettplotter nutzen. Oder einen weiteren Steuerungsport für eine Drehachse, die auch das CNC-Drehen möglich machen wird. Gut Ding braucht Weile und daher werde ich diese Schritte dann ergänzen, wenn ein Projekt kommt, in dem ich sie brauche.

Die Kosten sind nicht mehr so ganz genau zu überschauen - ich denke, dass sie etwa um 5.000 Euro liegen. Das ist auf diesen Zeitraum betrachtet nicht unlösbar, ich habe einfach so lange einen Hunderter pro Monat weggelegt, bis die Summe zusammen war. Der Hauptteil entfällt dabei auf die Mechanik, dann kommen als nächst größere Posten die Steuerung, das Gerüst, seine Verbindungselemente und die Motoren. PC und Monitor waren vorhanden, ein alter 486er mit 4 MB reicht satt und man stolpert auf der Straße darüber, wenn man nicht aufpasst.

Nicht zu unterschätzen sind die vielen Kleinteile, so die Balgkupplungen, die Lager für die Spindeln, die Antriebszahnriemen für die X-Achse, die Verbindungsplatten zwischen den Bauteilen und die Flansche für die Motoren. Wer das alles selbst basteln kann, spart am größten Posten der Mechanik sicher die Hälfte ein, denn hier greift ansonsten die Arbeitszeit des Dienstleisters, weil es diese Teile fertig gar nicht oder nur teuer zu kaufen gibt. Eine recht gute Abschätzung der Kosten ergibt sich, wenn man handelsübliche Spindeln, Führungswagen, Motoren, Profile und Befestigungselemente kalkuliert und das Ergebnis mal zwei nimmt. Dazu noch 500 Euro für Elektronik, Kabel und Kleinteile vorsehen und man hat etwa einen Anhaltspunkt. Übrigens: Es kostet in etwa das gleiche, 6 Jahre lang jeden Abend zwei Bier zu trinken. Wer das kann, kann auch so eine Anlage bauen.

Warum das Ganze? Naja, die Anlage dient mir als rechte Hand, denn ich habe nunmal zwei linke. Nun kann ich Intarsien erstellen, Schriftzüge und komplexe Schnitzereien einbringen, beliebige Formen ausfräsen, Kanten genau bearbeiten und vieles mehr. Ich denke, die wahre Fülle der Möglichkeiten erschließt sich erst mit der Zeit. Alle Projekte, die mit Hilfe der Fräse gefertigt wurden, sind auf der Übersichtsseite mit der Kategorie "CNC" gekennzeichnet. Dort ist zu sehen, was sich so ergeben hat und noch ergibt. An Ideen dazu mangelt es nicht und nun ist endlich die Umsetzung möglich geworden.

 

Ergänzungen

Da eine solche Anlage lebt und immer mal wieder etwas ersetzt oder ergänzt wird, ist auch diese Projektbeschreibung nie wirklich fertig. Hier gibt's die Ergänzungen.

Im Frühjahr 2008 ist meine geliebte Oberfräse in den verdienten Beinahe-Ruhestand verabschiedet worden. Die Bosch POF 600 ACE verfügte über einen 43mm Hals und konnte damit prima in der Anlage eingesetzt werden. Allerdings erfolgt das Arretieren der Fräsmotorachse beim Werkzeugwechsel mit einem kleinen Bolzen, der durch ein Loch in der Achse gesteckt wird und durch vier Plastiknasen am Mitdrehen gehindert wird. Eine dieser Nasen ist nun abgebrochen, was nicht an mangelnder Qualität der Vorrichtung lag, sondern an meiner Faulheit und dem Versuch, den Werkzeugwechsel ohne Ausbau der Oberfräse zu versuchen. Wenn eine zweite bricht, bleibt das Werkzeug für alle Zeiten in der Oberfräse. Das ist mir für die ständigen Werkzeugwechsel zu heikel, die Oberfräse sitzt nun im portablen Fräskorb und freut sich auf die wenigen verbliebenen Anwendungen, bei denen nicht die Anlage zum Einsatz kommt. Suche gerade ein defektes Gerät, das ein neues Gehäuse mit 4 intakten Nasen spenden wird - ein Gehäusenachkauf beim Hersteller ist hier - wenn überhaupt möglich - wenig wirtschaftlich.

Ersatz fand Einzug in Form des Kress 1050 FME Fräsmotors, ein unter Hobbyfräsern viel genutztes Gerät. Es liefert im Vergleich zur alten Bosch fast die doppelte Kraft und 25% mehr Umdrehungen, was bei den ersten Profilleisten für den Hifi-Schrank (hier ist "volle Pulle" angesagt) gleich auch ein sichtbar besseres Ergebnis brachte. Darüber hinaus sind hier Spannzangen in allen gängigen Größen erhältlich, sodass sich nun auch endlich die Welt der Dremel- und Proxxon-Formate mit 2,4mm, 3mm und 3,175mm Schaftdicke erschließt. Profi(l)fräser sind darüber hinaus mit 8mm Schaft viel verbreiteter als mit 6mm Schaft - auch die können nun zum Einsatz kommen, denn die Bosch verfügte nur über eine 6mm Spannzange. Die Kress kommt mit einem Arretierknopf für die Achse und der Werkzeugwechsel erfordert zwar immer noch einen Maulschlüssel, nicht mehr jedoch das Herausnehmen des Motors aus der Anlage. Und nicht zuletzt ist die Kress im Betrieb vor allem bei hohen Drehzahlen viel leiser als die Bosch, ein angenehmer Nebeneffekt. Nachdem die Motoren als Schwachstelle bei Lastfahrten bereits optimiert waren, bildete der Fräsmotor nun das Bottleneck - Fahrten durch viel Material waren immer etwas heikel. Mit dem neuen Fräsmotor sind nun mehr Flexibilität für Werkzeuge, ein leichterer Werkzeugwechsel, mehr Kraft, mehr Geschwindigkeit und weniger Lärm am Start.

Später im Jahr 2008 zog die Fräse mit uns um und am neuen Standort erhielt sie eine durchgehende Rasterlochplatte zur Aufnahme der Elemente des Spannsystems. Damit die unbeschädigt bleibt, werden die Spannelemente nun zweischichtig angebracht - auf der unteren Schicht liegt das Werkstück auf, die obere spannt es fest. Auf diesem Bild ist die Fräse noch voller Späne aus dem Projekt Billardtisch - einmal mehr hat sie hier gezeigt, welche enorme Erleichterung sie gerade für große Werkstücke bringt. Übrigens sieht man auf dem Bild, dass auch die Y-Achse nun den Nanotec-Monstermotor aufweist, während auf der Z-Achse nach wie vor das possierliche Originalteil sitzt - das flog dann kurz darauf ebenfalls raus. Nach nun 5 Jahren Betriebsdauer zeigen sich erste Wartungsbedarfe. Die eingefetteten Laufwagen auf den Parallelführungen hinterlassen Fett auf den Schienen, das mit der Zeit hart wird und den Lauf stört. Das lässt sich mit fettlösenden Mittelchen leicht beheben und ist bisher der einzige spürbare Einfluss der Zeit auf die Anlage.