3-Achsen-CNC-Fräse im Eigenbau
Selbstgebauter 3-Achsen-CNC-Fräser – von der ersten Version bis zur stabilen V4
Dieses Projekt begleitet mich seit Jahren: ein komplett selbst konstruierter und gebauter 3-Achsen-CNC-Fräser auf Basis von Aluprofilen, 3D-gedruckten Teilen und linearen Führungen. Über mehrere Versionen wurde die Maschine laufend stabiler, präziser und leistungsfähiger – von der ersten Engraving-fähigen Version bis zur aktuellen V4, die problemlos Aluminium fräst. Aktuell läuft die Maschine mit meinem neuen 6-Achs-Controller (UC300ETH + UB1) und UCCNC bzw. Mach4 unter Windows.
Das Bild oben zeigt die Maschine im heutigen Ausbau – mitsamt dem AC-Rundtisch auf dem Maschinentisch, der sie um zwei Drehachsen erweitert und damit 4- und 5-Achsen-Bearbeitung möglich macht.
Technische Daten
| Arbeitsbereich (V4) | 550 × 700 × 80 mm |
|---|---|
| Wiederholgenauigkeit (V4) | 0.01 mm |
| Rückspiel (V4) | 0.01 mm |
| Wiederholgenauigkeit (V4) | ± 0.01mm |
| Material Rahmen | Aluprofile, Hartholz-Arbeitsplatte, Alu Platten (V4) |
| Antrieb V1 | Zahnriemen, NEMA 17 Schrittmotoren, A4988-Treiber |
| Führungen ab V3 | Linearführungen |
| Antrieb ab V3 | 16-mm-Kugelumlaufspindeln statt Zahnriemen. NEMA 23 Schrittmotoren, DQ542MA-Treibern |
| Steuerung V1–V3 | Raspberry Pi + Protoneer CNC-HAT, GRBL, bCNC |
| Steuerung V4 | UC300ETH / UB1 6-Achs-Controller, UCCNC / Mach4, NEMA 23 + externe Treiber |
Versionsverlauf
V1 – Erste Version (2016)
Die erste funktionsfähige Maschine, angetrieben über Zahnriemen mit NEMA-17-Schrittmotoren (A4988-Treiber) auf einem Raspberry-Pi-CNC-HAT mit GRBL/bCNC. Geeignet für Gravieren, Bohren und Konturfräsen in Holz. Bekannte Schwachstelle: Stabilität der Zahnriemen unter Last.
V3 – Kugelumlaufspindeln & mehr Steifigkeit (2016)
Die Zahnriemen wurden durch 16-mm-Kugelumlaufspindeln ersetzt, die gedruckten Teile auf mehr Steifigkeit hin überarbeitet. Damit war die Maschine fertig aufgebaut und erreichte eine Wiederholgenauigkeit von ca. 0.01 mm und ein Rückspiel von ca. 0.02 mm. Mit dieser Version wurden bereits Holz gebohrt und POM (Polyacetal) gefräst.
V4 – Neue Steuerung & grösserer Arbeitsbereich (laufend)
Deutlich stabilerer und steiferer Aufbau mit einem Arbeitsbereich von 550 × 700 × 80 mm – Aluminium-Fräsen ist damit problemlos möglich. Die ursprüngliche Raspberry-Pi-Elektronik wurde durch einen 6-Achs-Controller auf Basis von UC300ETH und UB1 ersetzt, der mit UCCNC bzw. Mach4 auf einem Windows-PC läuft. Die Z-Achse wurde mehrfach überarbeitet (zuletzt mit Kugelumlaufspindel ⌀ 12 mm, Steigung 2.5 mm, und 15-mm-Profilschienenführungen) und bringt eine deutlich bessere Wiederholgenauigkeit.
The Real Thing
Repeat Precision: 0.01 mm
Reverse Backlash: 0.01 mm
So sieht die V4 mit dem neuen 6-Achs-Controller (UC300ETH/UB1 + UCCNC) heute aus:
Aufbau & Montage
Der grundsätzliche Aufbau ist bei allen Versionen ähnlich:
- Linearführungen und Kugelumlaufspindeln (V4)
- Aluprofile auf der Grundplatte montieren, Arbeitsplatte aus 12-mm-Hartholz (V1-3) oder Alu (V4) aufsetzen
- Achsen montieren – Reihenfolge: Y-Achse, X-Achse, Z-Achse
- Schrittmotoren und Endschalter verkabeln (0.5 mm² Litzenkabel)
- Elektronik & Software konfigurieren (siehe Steuerung)
Steuerung & Software
V1/V3 (Raspberry Pi): Schrittmotortreiber (A4988) auf dem Protoneer-CNC-HAT, 16 Mikroschritte, Y-Achse gekloned (gegenläufig verdrahtet). Steuerung über GRBL und bCNC. Maschinenparameter X/Y: 307–3072 Schritte/mm (je nach Version), Z: 1066.667 Schritte/mm. G-Code wurde mit HSMxpress (SolidWorks 2013) und EstlCAM erzeugt.
V4 (UC300ETH/UB1): NEMA-23-Schrittmotoren mit externen DQ542MA-Treibern (ersetzen die internen DRV8825-Treiber, gesteuert über UCCNC (oder Mach3/4) auf einem Windows-PC, verbunden über Ethernet.
3D-Modelle
CAD-Modelle für beide Hauptversionen sind als Download verfügbar.
Videos – die Maschine in Aktion
Weitere Aufnahmen der V4: Statusstände des Aufbaus, die neue Z-Achse und Probeläufe.
Galerie
V4
Galerie
V3
Galerie
V1
Neubau der Z-Achse
Die Z-Achse war über mehrere Versionen der Schwachpunkt der Maschine. Sie trägt die Spindel und nimmt beim Fräsen die Kräfte auf, die das Werkzeug seitlich wegdrücken – jede Nachgiebigkeit hier zeigt sich direkt am Werkstück.
Der Neubau setzt deshalb auf massives Aluminium statt auf verschraubte Profile. Die Bilder zeigen die Fertigung der Einzelteile: Spindelaufnahme, Führungsplatten und Lagerböcke, alle aus dem Vollen gefräst. Bei solchen Teilen liegt der Aufwand weniger im Fräsen selbst als im Ausrichten – eine Aufnahme, deren Bohrung um ein Zehntel schief steht, überträgt diesen Fehler auf jedes spätere Werkstück.
Minimalmengenschmierung
Für das Fräsen von Aluminium ist eine Minimalmengenschmierung an dieser Maschine unverzichtbar. Ohne Schmierfilm setzt sich Aluminium an der Schneide fest, bildet eine Aufbauschneide, und die Oberfläche wird rau – bis der Fräser bricht.
Die Anlage sitzt unter dem Maschinentisch: Druckregler mit Manometer, Magnetventil, Vorratsbehälter und ein eigener Kleinkompressor. Von dort führt die blaue Luftleitung nach oben zur Düse an der Spindel – im Bild unten ist der ganze Aufbau zu sehen. Weil über ein Magnetventil geschaltet wird, lässt sich die Schmierung aus dem Programm heraus ein- und ausschalten und läuft nicht während der Eilgänge.
Ausführlicher, mit Schnittwerten und der Begründung dahinter, steht das unter Know-How: Zerspanen.
Materialien im Schnitt
Drei kurze Aufnahmen zeigen die Maschine bei der Arbeit an unterschiedlichen Werkstoffen. Der Unterschied liegt weniger in der Bewegung als im Verhalten des Materials: Holz erzeugt Späne und Staub und verzeiht hohe Vorschübe. Aluminium neigt zum Kleben an der Schneide und verlangt scharfe Werkzeuge und zügigen Vorschub, damit der Span abtransportiert wird. Messing zerspant sich dagegen fast von selbst, bricht aber kurz und will eher eine ziehende als eine drückende Schneide.