CNC-Fräsen für Maker und Modellbauer (eBook)

Etwa gegen Mitte des 20. Jahrhunderts entstanden die ersten Steuerungssysteme, die ganze Programme automatisch abarbeiten konnten. Damit mussten Maschinenbediener nicht mehr mühsam alle Teilschritte von Hand einrichten und die Herstellungszeiten und Fehlerquellen nahmen rapide ab. Nach Einzug moderner Computer und besserer Maschinentechnik sind maschinelle Fräsen mittlerweile in bestimmtem Umfang auch ohne umfangreiche Ausbildung nutzbar.

Die Technik ist nicht nur beherrschbar, sondern auch bezahlbar geworden, was insbesondere Bastler- und Modellbauerherzen höher schlagen lässt. Diese können damit nun Bauteile herstellen, die es gar nicht oder nur teuer zu kaufen gibt. Außerdem sind damit Arbeiten bis auf wenige Hundertstel Millimeter genau möglich.

Also schnell eine Fräse anschaffen und loslegen? Fräsen ist zwar auch für Einsteiger ohne Vorkenntnisse keine unüberwindbare Hürde mehr, ohne genaues Verständnis der Hardware (Maschine, Werkzeuge, Materialien) und der Software wird man aber kein einziges Bauteil herstellen. Noch schlimmer: Wenn man nicht auch die Risiken kennt und nicht den sicheren Umgang mit der Maschine beherrscht, drohen schwerwiegende Verletzungen und Erkrankungen. Wer mit Bedacht an das Thema Fräsen herangeht und sich sorgfältig einarbeitet, kann aber ohne Weiteres innerhalb von einigen Tagen erste Werkstücke selbst herstellen.

Dieses Buch erleichtert Ihnen den Einstieg und erklärt alle Aspekte der Frästechnik für den Hobbybereich bis ins Detail. Aus einem Bausatz wird eine kostengünstige, aber zuverlässige und solide Fräsmaschine zusammengebaut und anschließend in Betrieb genommen und mit verschiedenen Extras der Anwendungsbereich erweitert. Neben der Hardware wird auch die Software und deren Verwendung erklärt. Anhand von praktischen Beispielen erfahren Sie, wie der ganze Prozess von der Idee bis zum fertigen Werkstück funktioniert, welche Werkzeuge Sie für welche Materialien verwenden und welche Einstellungen Sie dazu vornehmen müssen.

1.1Was ist Fräsen?

Fräsen gehört zu den trennenden Fertigungsverfahren und zählt mit einer eigenen Norm DIN 8589-3 zu den spanenden Verfahren mit geometrisch bestimmter Schneide. Geometrisch bestimmt bedeutet, dass Längen und Winkel bekannt sind und dass sich die Schneide exakt reproduzieren lässt. Dem gegenüber ist eine geometrisch unbestimmte Schneide zum Beispiel ein Schleifstein, bei dem die Anordnung der vielen durch das Schleifmittel gebildeten Schneiden zufällig ist – die Schneide kann nicht geometrisch definiert werden und unterscheidet sich bei jedem Schleifstein.

Abb. 1–1Geometrisch definierte Schneide

Beim Fräsen wird mit einer Werkzeugmaschine ein Werkzeug – der Fräser – angetrieben und dadurch in eine kreisförmige Bewegung versetzt. Abhängig von der Art des Fräsers besitzt dieser eine oder mehrere Schneiden. Der rotierende Fräser wird am Werkstück, das fest auf dem Maschinentisch eingespannt ist, entlang geführt, bis die Schneiden in das Werkstück eindringen und Material abtragen. Dazu kann je nach Fräsmaschine sowohl der Fräser als auch das Werkstück in mehrere Achsen bewegt und gedreht werden.

Die einfachste Form von Fräsmaschinen sind 3-Achsen-Fräsmaschinen. Bei diesen wird das Fräswerkzeug relativ zum Werkstück in den drei Raumachsen positioniert. Sehr viel komplizierter sind Fräsmaschinen mit mehr – teilweise bis zu 15 – Achsen. Je mehr Achsen zur Verfügung stehen, desto komplexere Formen lassen sich damit herstellen. Bei einer 3-Achsen-Fräsmaschine kann der Fräser nur dort Material abtragen, wo dieser frei an das Material heranfahren kann. Das kann nur an der Oberseite oder an allen seitlichen, frei zugänglichen Flächen des Werkstücks geschehen.

Abb. 1–23-Achsen-CNC-Portalfräsmaschine für den Hobbybereich

Kann man zusätzlich das Werkstück um eine Achse so drehen, dass Seiten und Unterseite nach oben gelangen, kann man auch dort Material abtragen. Diese sogenannte vierte Achse, ist bei vielen Fräsmaschinen nachrüstbar. In Abbildung 1–3 sehen Sie eine Fräsmaschine für den industriellen Einsatz, die als 4. Achse einen drehbaren Maschinentisch besitzt. Durch die Drehung des Werkstücks kann Material an Stellen entfernt werden, die für eine 3-Achsen-Fräsmaschine nicht erreichbar sind. Außerdem kann der Fräser dann auch in verschiedenen Winkeln in das Werkstück eintauchen. Verbindet man Dreh- und Längsbewegung, kann man beispielsweise auch Gewinde fräsen.

Abb. 1–3CNC-Fräsmaschine mit drehbarem Maschinentisch (4. Achse)

Je härter und zäher das zu bearbeitende Material ist, desto stabiler muss die Fräsmaschine konstruiert sein und umso geringer ist die abgetragene Materialmenge. Der Fräser übt auf das Werkstück eine Kraft aus, um das Material zu schneiden. Durch diese Kraft entsteht eine Gegenkraft in die entgegengesetzte Richtung in die Maschine, durch die sich Teile der Maschine verwinden oder verbiegen können. Der Fräser weicht dadurch von seiner Sollposition ab und es entstehen Abweichungen der Werkstückmaße. Sind diese Abweichungen zu groß, ist das Werkstück unbrauchbar.

Im Maschinenbau liegen Toleranzen oft bei ±0,01 mm, manchmal sogar darunter. Die Anforderung an eine Fräsmaschine für ein solches Werkstück besteht darin, dass sich die Maschine um maximal ±0,01 mm verwindet oder verbiegt. Dies gilt aber auch für den Fräser und das Werkstück und dessen Einspannung. Dürfen alle Teile zusammen nur derart kleine Fehler verursachen, benötigt man extrem genau gefertigte Maschinenteile oder man muss so langsam fräsen, dass die Kräfte klein genug bleiben. Maschinen, die mit viel Kraft schnell fräsen, sind aus massiven, präzisionsgefrästen und geschliffenen Stahlteilen aufgebaut und sind sehr schwer und teuer. Da die wenigsten über geeignete Räumlichkeiten für tonnenschwere Maschinen verfügen, haben sich für die private Nutzung vor allem leichte Portalfräsmaschinen durchgesetzt. Findige Bastler bauen sich solche Fräsmaschinen sogar selbst.

1.2Portalfräsen für den Hobbybereich

Für Hobby und Modellbau benötigt man nur selten Genauigkeiten im Bereich von Hundertstel Millimetern und man muss auch nicht möglichst viel in möglichst kurzer Zeit produzieren. Abweichungen von ±0,1 mm sind meist noch akzeptabel und man kann mit geeigneten Maßnahmen die Genauigkeit in den meisten Fällen noch weiter verbessern, sodass auch Toleranzen von ±2–3/100 mm eingehalten werden können.

Abb. 1–4Komponenten einer Portalfräse

Bei Portalfräsen ist der Maschinentisch unbeweglich und das Werkstück auf diesen aufgespannt. Damit das Werkzeug in drei Achsen beweglich ist und zum Werkstück geführt werden kann, befindet sich dieses auf einem U-förmigen Schlitten – dem Portal –, der längs über den Maschinentisch fahren kann. Das Portal trägt einen weiteren Schlitten, der quer über den Maschinentisch bewegt wird, und auf diesem Schlitten sitzt noch ein dritter, der den Fräsmotor trägt und in der Höhe verstellbar ist. Das Grundgerüst von Portalfräsmaschinen besteht oft aus Aluminiumprofilen in Verbindung mit Bauteilen aus Aluminium, Stahl oder manchmal auch aus Holz.

Die Höhe des Portals ist recht klein, da der Schlitten mit wachsender Höhe durch den größeren Hebelweg instabiler wird. Ein großer Vorteil bei dieser Bauform ist, dass die Länge der Fräsmaschine und damit der Werkstücke gegenüber anderen Bauformen deutlich größer sein kann. Mit zunehmender Länge verringert sich aber auch die Genauigkeit bzw. steigen die Anforderungen an Genauigkeit und Festigkeit der Maschinenteile.

Kräfte treten hier vor allem zwischen Fräswerkzeug und Werkstück auf. Beim Fräsen wird der Fräser in X-, Y- und Z-Richtung in das Werkstück getrieben, wodurch in jede dieser Richtungen eine Gegenkraft gegen das Portal entsteht. Die Portalseiten fungieren dabei als Hebel und drücken am unteren Ende längs und seitlich gegen die Führungen. Fährt der Fräser senkrecht in das Werkstück, hebt er das Portal oder die Z-Achse dabei an.

Abb. 1–5Kräfte an den Achsen (grün = X, blau = Y, schwarz = Z) und Verwindung des Portals und der Z-Achse (gelb)

Durch diese Kräfte, die quasi permanent wechselnd in alle Richtungen wirken – der Fräser ändert innerhalb eines Schnitts die Kraftrichtung –, versucht das Portal sich ständig aus der Sollposition zu bewegen. Erhält es dazu die Möglichkeit, beispielsweise durch Spiel in den Lagern oder den Spindeln, weichen die Maße von den Vorgaben ab. Dasselbe gilt auch für die tragende Konstruktion. Sind die Bauteile zu schwach dimensioniert, biegen diese sich. Es ist keinesfalls so, dass eine 10 mm dicke Aluminiumplatte sich nicht biegt. Insbesondere wenn lange Hebel im Spiel...