CNC Fräsen - Arbeitablauf und Software

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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