CNC Fräsen - Arbeitablauf und Software

[rf1k_mjh11]

Generelle Anmerkung bzw. Bitte zu den folgenden Beiträgen:

Hier erzähle ich ein wenig (na ja, vielleicht nicht gerade 'ein wenig') über meine erworbenen Erkenntnisse, die das CNC-Fräsen betreffen.

Da ich eine 'Desktop CNC' Fräse, eine Makera Z1, demnächst mein eigen nennen werde, behandeln diese Beiträge besonders meine Erfahrungen auf eben dieser Fräse, sowie die dazu verwendete Software. Die Fräse habe ich mit einer optionalen vierten Achse bestellt, die natürlich auch zum Zuge kommen wird.
Ich werde einen Großteil meines Leidenswegs, den ich dem CNC-Fräsen betreffend gegangen bin und noch gehen werde, hier unterbringen. Da werden einige Beiträge meinerseits zusammenkommen, da das Thema doch recht umfangreich ist.

Damit der Faden nicht allzu sehr 'zersplittert' wird, bitte ich, Fragen, Kommentare und Bemerkungen in der Rubrik 'Sammelsurium der Nebenthemen' unter zu bringen. Dort werde ich diese behandeln, oder, falls die Fragen in dem Thema passen, kann ich diese in den kommenden Beiträgen einarbeiten.

Danke und viel Spaß beim Lesen,

mjh11

[rf1k_mjh11]

So, nun zum ersten Beitrag:

Das Fräsen ist, im Gegensatz zum FDM 3D-Drucken, wie es die RFx000 Drucker praktizieren, ein subtraktives Fertigungsverfahren. FDM- und Harz Drucker, hingegen, repräsentieren ein additives Verfahren, da Material hinzugefügt wird, wogegen beim Fräsen Material entfernt wird. Die Maschinen beider Verfahren benutzen dafür GCode, was schon einmal eine Gemeinsamkeit bietet.

Es wurde gesagt, das Fräsen wäre in einer anderen Liga als der 3D Druck. Das könnte gut stimmen. Bei den meisten 3D Druckprojekten wird der Auftrag gestartet und damit ist das Meiste erledigt, neben den abschließenden Reinigungsarbeiten kommt eventuell noch Support entfernen dazu. Dann ist das gute Stück aber für gewöhnlich fertig. Man denke da an das einfache Herz, das auf der SD Karte mitgeliefert wurde. Ganz gefinkelte Aufträge bedingen eine oder mehrere Pausen mitten im Druck, wo eine Mutter oder ähnliches eingelegt, das Filament gewechselt, oder sonst was getan werden muss. Trotzdem handelt es sich dabei immer noch um einen überschaubaren Arbeitsablauf.

Beim Fräsen gibt es auch Fälle, wo, nachdem die Spindel einmal angelaufen ist, der Auftrag ohne Zutun nach einigen Minuten fertig ist – eine simple Sache halt. Auch der Hersteller der Z1 liefert ein solches Beispiel mit: eine Spannpratze, die den mit der Maschine mitgelieferten Pratzen ähnelt und auch genauso benutzt werden kann. Hier das 3D Modell:

TopClamp_DWG.jpg

Und hier die sogenannte Simulation:

TopClamp_simulation.jpg

Bei der Simulation zeigt die CAM Software wie das Material abgetragen wird. Das ist eigentlich wie ein Video, oben ist nur ein Schnappschuss vom Ende des Arbeitsgangs.

Richtig orientiert, lässt sich das oben gezeigte Teil somit in einem Aufspannen fräsen (das Aufspannen wird später noch genauer behandelt).
Der Arbeitsablauf für so ein Teil ist kaum aufwändiger als das Slicen und Drucken beim 3D Druck. Man kommt in dem Fall beim Fräsen sogar ohne Werkzeugwechsel aus, es ist nur ein Fräser (=Schneidwerkzeug) nötig.

Ich habe nicht unbedingt vor, mit so einem einfachen Teil zu beginnen. Zumindest mache ich derzeit meine theoretischen Versuche mit etwas deutlich komplexerem, einem Teil des ‘Z-Spindel-Entkopplers‘ wie hier abgebildet (das blaue Teil unten bzw. oben):

Decoupler_Study_Assy_w_Cage.3.png

Das ist die Gesamteinheit. Das Fräsobjekt ist aber der blaue Teil oben und unten, hier alleine:

Decoupler_Study_Bottom.2_cropped.jpg

Das Aufspannen

Irgendwie muss man das Teil festhalten/festspannen, um Material abzutragen, denn da kommen schon einige Kräfte zusammen. Ist das Teil nicht gut festgespannt, kann es sich bewegen und dann ist meist die Arbeit umsonst gewesen. Genauso wie wenn beim 3D Druck sich das Objekt vom Bett löst.
Beim Fräsen kann es vorkommen, dass das Teil mehrmals 'umgespannt' werden muss, da man sonst nicht an die Stellen herankommt, die bearbeitet werden müssen. Man versucht das mehrmalige Aufspannen zu vermeiden, denn er schleichen sich unweigerlich Ungenauigkeiten ein. Außerdem muss man das Stück entweder exakt positionieren, oder die neue Position exakt ermitteln, damit alles maßlich passt.

Das oben gezeigte Teil kann man ohne einer vierten Achse gar nicht in einem Aufspannen fräsen, denn die Bohrungen, in dem die Nadellagernadeln stecken, laufen quer zur sonst nötigen Bearbeitungsrichtung. Im dem Bild oben sieht man das recht deutlich.

Außerdem befinden sich zwei Gewindelöcher auf der Unterseite, die man im Bild natürlich nicht sieht.

Man kann die Außen- und Innenkontur (und die länglichen Kugeltaschen) in einem Aufspannen machen. Die kleinen Bohrungen müssen in einem eigenen Aufspannen eingebracht werden, wobei ohne vierte Achse zweimal Aufspannen nötig wäre mit dem zusätzlichen Problem, dass die Flucht der Bohrungen (für die Nadellager-Nadeln) nicht leicht gewährleistet werden kann. Somit wäre die Vierte Achse beinahe nötig. Umgehen könnte man die 4. Achse mit stark erhöhtem Aufspannaufwand. Die zwei Gewindelöcher auf der Unterseite, die in einem weiteren Aufspannen eingebracht werden müssen, könnten mit der 4. Achse aber ‘gratis‘ mitgemacht werden könnten. Ohne der vierten Achse müsste das Teil drei-, bzw. eigentlich viermal umgespannt werden, was der Genauigkeit nicht sehr förderlich ist.
Da aber die vierte Achse beinahe schon zwingend nötig ist, könnte man es mit Hilfe dieser in nur einem Aufspannen fräsen. Dazu kommen wir später, wenn ich das Projekt näher beschreibe.

Somit wird klar, was schon eine der ersten Hürden darstellt: Wie spanne ich das Teil am besten, bzw. in welcher Reihenfolge sollte ich die Arbeitsgänge durchführen? Und falls ich umspannen muss, wie kann ich die Maßhaltigkeit garantieren?
Auch wenn man sich das alles (hoffentlich!) genau überlegt, kommt man meist nicht umhin, es im Zuge der Entwicklung des Arbeitsablaufs mehrfach umzustellen. (Auch im Zuge des Niederschreibens hier habe ich den Ablauf allein schon drei- oder viermal geändert!)

Beim grünen Stück im Entkoppler, oben, bzw. im folgenden Bild, wird es deutlich, dass man, ohne vierter Achse, das Teil vier- bis sechsmal umspannen muss (mit einer 4. Achse geht es mit nur zweimal Aufspannen, auf einer 5-Achs Maschine ginge es vielleicht in einem Aufspannen):

Decoupler_Study_Middle_pins,Balls_Cropped.jpg

Beim 3D-Druck kann man meist ein Objekt auf mehrere Arten ausrichten und drucken: stehend, liegend, usw., wobei keines der Ausrichtungen unbedingt richtig oder falsch sein muss. Manche Ausrichtungen vermeiden Support, andere können den Support minimieren. Manche Ausrichtungen können, durch die Orientierung der einzelnen Schichten, das Bauteil stärken oder schwächen. Das alles kann man beim 3D Druck berücksichtigen (ich, zumindest, versuche es jedes Mal). Zwingend ist es nicht.

Ebenso kann man beim Fräsen unterschiedliche Ansätze beim Bearbeiten verfolgen. Und auch hier muss es nicht unbedingt ein ‘Richtig‘ oder ‘Falsch‘ geben. Manche Ansätze können zu maßlich genaueren Ergebnissen führen. Manche Ansätze erfordern zusätzliches Aufspannen (mehrfaches Aufspannen versucht man zu vermeiden, da die Genauigkeit leiden kann, gelegentlich geht es jedoch einfach nicht anders). Wieder andere Ansätze sind so gefinkelt, dass man selbst gar nicht darauf kommt.

Jedenfalls hilft es ungemein, wenn man die Funktion des Teils versteht. Da kann es sein, dass die unvermeidlichen Ungenauigkeiten durch das erneute Aufspannen noch tolerierbar sind, oder wenig bis gar nichts ausmachen und man sich dadurch Arbeit sparen kann.
Damit machen wir im nächsten Beitrag einen detaillierten Ausflug in die Funktion des Teils, dass ich fräsen möchte.

mjh11

[zero K]

Guten Morgen

Konstruierst Du mit FreeCAD?
Wenn ja, Windows oder Linux oder Mac?

Gruß, zero K

[rf1k_mjh11]

Im vorhergehenden Beitrag erklärte ich, dass es oft einen Vorteil bringt, wenn man die Funktion des zu fräsenden Bauteils versteht. Darum behandeln wir hier die Funktion des Z-Spindel Entkopplers (siehe dazu das dritte Bild in meinem vorherigen Beitrag).

Der Z-Spindel Entkoppler stellt im Prinzip eine Art Oldham Kupplung dar.
Hier in diesem Video ist die Funktion in einem ein Beispiel zu sehen. Und in diesem Video sieht man eine Variante einer Oldham Kupplung, wo die Ähnlichkeit mit dem hier besprochenen Entkoppler eindeutig erkennbar ist.

Eine Oldham Kupplung überträgt den Drehwinkel exakt von einer Seite/Achse auf die zweite, auch wenn die Achsen parallel versetzt sind. Zusätzlich, beim Typ im zweiten Video, bzw. mit meiner Konstruktion, ist ein geringer Winkelversatz auch erlaubt, ohne dass dadurch der Drehwinkel merklich beeinflusst wird.

Nehmen wir eine Momentaufnahme aus dem ersten Video her:

OldhamCoupling_1b.jpg

Dabei entsprechen die zwei Gabel- bzw. U-förmigen Teile den blauen Teilen im Entkoppler. Das orange Kreuz (mit der dunkelblauen Kugel in der Mitte) entspricht dem grünen Teil des Entkopplers.

Wichtig ist dabei, dass erstens, die gegenüberliegenden Bohrungen fluchten, und zweitens, dass der zweite Satz Bohrungen möglichst um 90° zur den ersten Bohrungen versetzt ist.

Jetzt spalten wir Haare

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Die gegenüberliegenden Bohrungen müssen nicht unbedingt fluchten, aber parallel müssen sie sein, und in einer Ebene liegen – vorausgesetzt, das ‘Kreuz‘ in der Mitte berücksichtigt den Versatz. Aber die zwei Satz Bohrungen sollten zumindest in zwei zueinander parallelen Ebenen liegen, auch wenn sie gering zueinander versetzt sind. ... Falls mir da noch einer folgen kann …

Im Fall des Entkopplers kommt hinzu, dass es sich dabei nicht um nur eine Bohrung handelt, wie im obigem Bild, sondern insgesamt pro orange-farbener Achse (jene im Bild oben) eigentlich 4 Bohrungen die Funktion übernehmen (samt einer Kugellagerkugel) – siehe dazu das erste Bild des Entkopplers. Somit sollten die 4 Bohrungen auf einer Seite zueinander möglichst parallel sein und mit den Bohrungen auf der gegenüberliegenden Gabelseite fluchten. Dann sollten die anderen Bohrungen, wie gesagt, möglichst 90° dazu versetzt sein.

Mit der 4. Achse sollte die Flucht und Parallelität der Bohrungen gewährleistet sein. Die zwei Bohrungen pro Seite werden parallel werden, denn sie werden in einem Aufspannen, in einem Arbeitsgang gemacht. Die Flucht der gegenüberliegenden Bohrungen wird so genau werden wie die 4. Achse die 180° anpeilen kann. (Die 4. Achse des Z1 wird per Riemenantrieb untersetzt angetrieben, was nicht unbedingt besonders exakt sein wird, aber vermutlich ausreichen wird.)
Okay, somit habe ich mich mit diesen Überlegungen davon überzeugt, dass ich die Funktion des Teils garantieren kann. (Einige der vorhergehenden Überlegungen kamen erst in der zweiten oder gar späteren Iterationen zu Tage, gingen also lange nicht so flott wie hier beschrieben.)

Jetzt grübeln wir über die Reihenfolge der Operationen.

Als erstes machte ich mir Sorgen über die Bohrungen. Diese sind für Nadellagernadeln mit 2.5mm Durchmesser. Das ist nicht besonders groß. Solche dünnen Bohrer können leicht verlaufen. Besonders, wenn das Loch zeitweise die Wand durchbricht (was hier gewollt ist). Siehe dazu wieder das Bild des blauen Teils. Da ist das Problem leider schwer zu sehen, daher hier eine Nahaufnahme:

Bottom_Part_1a_closeup_CAD_1a.jpg

Die Bohrungen für die Nadellagernadeln ragen teilweise in die längliche Kugeltasche hinein. Ist die Kugeltasche schon vorhanden, besteht eine gute Chance, dass der Bohrer verläuft. Verläuft der Bohrer, muss man die Flucht, Parallelität und mehr, in Frage stellen. Somit sollte man die Bohrungen vor der Kugeltasche einbringen. Das ist zumindest eine Reihenfolge, die berücksichtigt werden sollte. Ein weiterer Arbeitsgang sollte als letztes gemacht werden: das völlige Freischneiden des Werkstücks vom Rohmaterial. Macht man das zu früh, wird das Teil nicht mehr festgehalten und muss neu aufgespannt werden. Gelegentlich, vor Allem bei Teilen die größer sind als die vierte Achse spannen kann und die beidseitig bearbeitet werden müssen, kommt man nicht umhin, es frei zu schneiden. In so einem Fall muss man aber meist eine weitere Spann- und Positioniermöglichkeit entwickeln, oftmals natürlich gefräst, gelegentlich am 3D Drucker gedruckt.

Jetzt kommen wir zum Punkt des Aufspannens. Wie geplant, kommt hier die vierte Achse zum Zug. Geplant ist (einstweilen – das kann sich noch ändern…) das Teil so aufzuspannen:

Bottom_Part_1a_clamping_1a.jpg

Mit 'Drehachse' ist die Drehachse der vierten Achse gemeint. Das Rechteck um das Teil (violett) entspricht dem Umriss des Rohmaterials. Gespannt wird es auf der linken Seite in einem 4-Backen Futter ähnlich wie auf einer Drehbank. Rechts befindet sich eine Zentrierspitze die eventuell zum Einsatz kommen wird.
Man stelle sich vor, im Bild wäre die Blickrichtung durch die Achse des Fräsers. Na gut, aus dieser Blickrichtung könnte man die Kugeltaschen, die Konturen/Umrisse und die Absätze fräsen (die Absätze sind projizierend, also nicht deutlich sichtbar).
Dreht sich das eingespannte Rohmaterial um 90° um die gezeigte Drehachse, kann man die zwei Bohrungen auf einer Seite machen:

Bottom_Part_1a_clamp_90deg_1a.jpg

Nochmals um 90° gedreht, hat man Zugriff auf die Unterseite, und man kann die zwei Gewindebohrungen erledigen.
Weitere 90° erlauben das Bohren der zwei gegenüberliegenden Bohrungen.

Wieso nicht ganz durchbohren

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Theoretisch könnte man die 2.5mm großen Löcher von einer Seite bis zur anderen Seite auf einmal ganz durchbohren. Die maximale Distanz wäre 45mm. Und obwohl ein 2.5mmX50mm Bohrer nicht ganz unüblich ist, müsste es noch länger sein (der Bohrer muss ja auch noch eingespannt werden). Und dadurch wird es kritisch: der Verfahrweg der Maschine in 'Z' reicht dann nicht mehr aus um die Spindel weit genug hoch zu fahren. Abgesehen davon, bei solchen tiefen Löcher wird der Bohrer sehr wahrscheinlich verlaufen. Also werden mit einem kurzen Bohrer (=steifer!) von jeder Seite die zwei Löcher eingebracht.

Ich hoffe, damit ist klar, dass sich das Teil mit der vierten Achse in einem Aufspannen fräsen lässt.

Ohne der vierten Achse geht es schon, aber deutlich aufwändiger. Man muss sich genau überlegen, wie man es aufspannt und wie man bei jedem Umspannen garantiert, dass es am richtigen Platz ist (alternativ: man misst die neue Lage exakt und berücksichtigt diese). Um den richtigen Platz zu garantieren, werden oft Anschläge oder Passstifte eingesetzt. Beim Messen wird ein 3D-Taster eingesetzt, mit dem man in X, Y oder Z recht genau Flächen abtasten kann.

3-D_Probe.jpg

Einen 3D Taster habe ich gleich mit bestellt, also könnte ich auch diesen Weg wählen.

Eine meiner ersten Iterationen hatte vor, das meiste ohne vierter Achse zu fräsen, und zum Schluss nur die Nadellagernadelbohrungen mit der vierten Achse zu bohren. Dann kamen die Bedenken wegen dem Verlaufen des Bohrers. Kurz darauf die Erkenntnis, dass sich alles mit der vierten Achse erledigen lässt. Das ist der derzeitige Stand. Aber - Möglich wäre es auch, die Kugeltaschen als allerletztes zu fräsen. Die Position der Tasche muss nicht exakt sein, sie darf nur nicht mit der Kugellagerkugel kollidieren. Somit wäre auch das ein machbarer Weg (Möglichkeiten über Möglichkeiten!).

Damit machen wir im nächsten Beitrag einen Ausflug in die von mir bisher eingesetzten CAM Programme. (Das wird noch ein wenig dauern...)

mjh11