Eine weitere robuste Eigenbau-Portalfräse entsteht

Wuiz · Jul 31, 2014

Hallo zusammen,
nachdem ich nun lange genug von einer eigenen CNC-Fräse geträumt habe, Erfahrungen beim Studium und in der Praxis gesammelt und mich tagelang durch Threads und Bauberichte hier gewühlt habe, möchte ich mit meinem Vorhaben konkret werden und selbst eine Portalfräsmaschine bauen.

Ich kann gar nicht jeden aufzählen, möchte mich aber direkt bei allen bedanken, die wertvolle Tipps bei ihren eigenen und auch fremden Projekten hier zur Verfügung stellen.
Bevor ich noch in tiefere Privatgespräche per PN verfalle möchte mein Vorhaben lieber hier öffentlich machen. So hat jeder, der sich dafür interessiert, was davon.

Was wird also geplant?
Eine weitere CNC-Portalfräsmaschine. Angepeilt sind momentan etwa 600x500mm Verfahrweg in X und Y Richtung. Z wird sich auf ähnliche Werte wie bei anderen Maschinen einpendeln, also etwa bei 150mm.

Was soll gefräst werden?
Schaum, Holz,Kunststoff, GFK, CFK, Alu und vergleichbares.

Grobe Materialwahl:
- Chassis aus starkem 100x50mm sowie 50x50mm Aluprofil
- Portalwangen und andere Aluplatten sind momentan 20mm stark
- X-Achse fährt momentan auf 20er Bosch-Rexroth Schienen/Wagen, insgesamt 4 Wagen
- Y-Achse fährt momentan auf zwei THK SHS 25 Schienen, insgesamt zwei Wagen vom Typ SHS 25C https://tech.thk.com/de/products/thkdlinks.php?id=314
- Z-Achse fährt momentan auf einer THK SHS 25 Schiene mit einem Wagen vom Typ SHS 25C
- An den Antrieben kommen wohl Nema23 (kompatible) Schrittmotoren zum Einsatz
- Gewindetriebe werden aus Kostengründen - sofern mir nichts anderes in die Hände fällt - China-KUS werden (siehe "kleine kompakte Fräse" von KarlG). Das sind dann wohl Spindeln mit 16mm Durchmesser und 5mm Steigung.
- Frässpindel vermutlich eine Kress oder Chinaspindel

Wie sich herauslesen lässt, schreibe ich oft "vermutlich" und "momentan". Das liegt daran dass die Konstruktion noch variabel ist, ich noch alle Möglichkeiten offen habe etwas daran zu ändern und deswegen auch diesen Thread eröffne.

Denn aus Mangel an praktischer Erfahrung mit CNC-Fräsen kann ich noch nicht beurteilen welche Kräfte und Momente wirken und beziehe mich daher auf überschlägliche Werte und Erfahrungen.
Deswegen stellen sich noch grundlegende Fragen:
- Reichen die zwei Wagen auf Y?
- Reicht ein Wagen auf Z?
- Wenn ich mich doch gleich für zwei Wagen auf Z entscheide, dann auch auf zwei Schienen nebeneinander, oder auf der einen hintereinander? Folge der ersten Variante wäre eine Verbreiterung des Schlittens und damit dann entweder auch der Fräse, oder weniger Fahrweg auf Y.
- Wenn ich mich für zwei Wagen nebeneinander entscheide und sowieso schon breit bin, könnte ich Y auch auf drei aufrüsten.
- Da ich genug Führung und Wagen der THK 25er hier habe, lohnt es sich, auch die X-Achse damit auszustatten (Statt der 20er Bosch-Rexroth)?
- Die gesamten Maße der Fräse und der Schienen kann ich noch relativ frei verändern (nur die Bosch-Rexroth Führung ist auf 785mm länge festgelegt). Wenn also jemand meint "hey, bei 600mm auf X fehlen nur noch 50mm, dann kannst du DAS Teil herstellen", dann werde ich mir das gerne zu Herzen nehmen.

Diese Entscheidungen will ich zunächst nicht an den Kosten festmachen, sondern an der Stabilität und Robustheit der Maschine, geht mal davon aus, dass ich genug Schiene und Wagen vorhanden hab.

Die Fertigung der Teile ist kein Problem, hier wird alles professionell auf großen Fräszentren, Profilsägen oder konventionellen Maschinen hergestellt.

Jetzt aber erstmal Bilder der Mechanik ohne Antrieb, mehr fällt mir momentan nicht ein. Wie gesagt, da die Konstruktion noch in den ersten Zügen steht, wird sich zwangsweise noch einiges ändern und es müssen auch noch nicht alle Maße sinnvoll und logisch sein.

Ich freue mich auf Anregungen, Fragen, Vorschläge, angeregte Diskussionen und Kritik.

Viele Grüße,
Stephan

KarlG · Jul 31, 2014

Moin,

die THK SHS 25C sind alle schon vorhanden? Das sind imho kurze Wagen und somit weder unten auf der Portalachse, noch auf Z als Einwagenlösung brauchbar. Am Portal kriegst aber zwei nebeneinader nicht unter, ohne die Z-Achse unnötig breit zu machen. Auch mit einem langen 25er ist das schon grenzwertig.

Ich skizziere mal ein paar Lösungsansätze: Y (Portal) unten mit einem langen 25er und Z auch mit einem langen 25er - dann aber nur max 120mm in Z- ALso Portal tiefer legen. Das wäre aber keine optimlae Lösung; Z-Achse müsste aber nur 105mm breit werden, was natürlich den (knappen) Verfahrwegen zugute kommt.

Besser: Unten auf Y einen langen 30er (118mm) und auf Z zwei lange 25er. Hier kommst Du mit 120-125mm breiter Z-Achse aus.

Wenn Vorhandenes verbaut werden soll (die SHS 25C) dann unten auf Y zwei davon und oben einen. Damit ist Z schon irgendwas um 160mm breit. Dann würde ich das Portal anders konstruieren.

Auf Z könnte man zur Not zwei hintereinader setzen. Optimal wäre das auch nicht, aber imho besser, als zwei kurze nebeneinander. Oder 2+1 falls es unterzukriegen ist. "Standard" wären 2+2 mit kurzen Wagen.

Aber eigentlich passt nix richtig....

Sonst gefällt mir die Konstruktion recht gut. Alles mit 20er Platten zu machen, wäre übertrieben. Portalwangen ja - der Rest ist mit 15er gut bedient; ausser es sprechen statische Gründe dagegen - die kann ich aber aktuell nicht erkennen.

Was sollen die Winkel unter den Querstreben bewirken?

20er Führungen auf der Längsachse reichen. Viel wichtiger sind die Stützweiten.

Gruss
Karl

Wuiz · Jul 31, 2014

Hallo Karl,
ja, die 25er Schienen und Wagen sind zwar noch nicht in meinem Besitz, kann ich aber aufgrund von Überbestand (bzw. können die nicht mehr verkauft werden, weil gebraucht) wohl günstig bekommen, daher hätte ich bevorzugt die genommen. Ich muss das aber nochmal genau klären; vielleicht lohnt es sich ja doch, andere Wagen zu kaufen.
Mir gefällt selbst auch nicht unbedingt am besten, dass es die breiten, kurzen Wagen sind. So muss man halt Kompromisse eingehen.

Ein möglicher Kompromiss ist auf den zwei Bildern zu sehen. Y hab ich auf drei Wagen erweitert (können dann auch problemlos vier werden). Die Z-Achse wird dadurch an den Wagen gemessen knapp 190mm breit (ohne Schmiernippel) (92mm+92mm+3mm=187mm).

Damit erreiche ich bei 640mm Schienenlänge maximal 453mm theoretischen Weg auf Y (die Schienen haben rechts und Links noch 10mm Luft, könnten also 473mm abzüglich Puffer werden, wenn ich die nutze).
Da ich nicht auf mindestens 500mm o.ä. festgelegt bin, würde mir das auch reichen. Andernfalls könnte ich jederzeit das Chassis breiter machen (will ich dann aber nicht, soll noch halbwegs kompakt in der Werkstatt sein).

Auf Z kann ich natürlich einen Wagen weglassen, dann die angesprochenen 2+1.

Die anderen Platten hatten schon 15mm im CAD, hab ich gesehen, war auch eher nach Gefühl konstruiert.

Grüße, Stephan

Edit: Natürlich muss ich auch noch schauen, dass die Z-Spindelmutter platz findet, das wird so etwas eng. Platz wäre aber theoretisch noch da, wenn ich die 187mm Breite auch bei den Z-Führungen ausnutze, also die Trägerplatte auf das Maß breiter mache.

KarlG · Jul 31, 2014

Technisch (von der Steifigkeit) wäre das natürlich optimal. Nur für die resultierenden Verfahrwege nicht.
Klär erstmal, was die THK-Komponenten kosten sollen; evtl. fährst Du ja mit Neukauf (CPC) sogar besser und kannst dann frei planen.

Wenn das so werden soll, wie aktuell dargestellt, würde ich eher auf Roys Konzept mit durchlaufendem Portalträger setzen..
..da kannst Du dann über die Wangen hinausfahren und die breite Z-Achse wäre nicht mehr schädlich.

Gruss
Karl

Wuiz · Jul 31, 2014

Werde ich morgen klären. Vermutlich lohnt sich aus finanzieller Sicht ein Neukauf nicht (außer THK nehmen, besser verkaufen, anderes dafür kaufen, aber finde ich nicht korrekt und ist mir offengestanden auch zu viel Aufwand).

Die Konstruktion mit dem durchgehenden Portalträger hab ich so auch noch nicht gesehen. Interessant, wenn auch definitiv dann mehr Einzelteile benötigt werden.. Muss ich mir mal durch den Kopf gehen lassen.

Grüße, Stephan

KarlG · Jul 31, 2014

Wenn Dich die reduzierten Verfahrwege nicht stören, kannst Du es natürlich auch wie oben machen.
Ein 640mm breites Portal ist noch gut mit einem mittigen Antrieb beherrschbar, wenn die Stützweiten der Längsführungen ausreichend sind (um 200mm).
Das Konzept von Roy ist schon etwas aufwändiger. Ich mags auch lieber einfach....

Wuiz · Aug 1, 2014

So, der Einfachheit halber werde ich wohl den verschenkten Raum am Portal hinnehmen, auch um die Einzelteile gering zu halten.

Heute hab ich noch nicht sonderbar viel konstruiert, mich aber mal mit der Z-Achse weiter befasst. Die unschönen Sachen sind die Abmaße der Spindelmutter. Dazu muss auch wie an Karls Fräse die Mutter versenkt werden, denn die 25er Linearführung lässt nur 36mm Platz zu, benötigt werden aber mehr als 40mm.
Auch werden dabei die Nachteile der präferierten Wagen deutlich, denn die bauen sehr breit. Die Mutter bzw. der Flansch wird also wohl zwischen den Wagen Platz finden müssen.. (siehe Bilder). Den Schmiernippel der Spindelmutter muss ich ebenso nochmal genauer betrachten, nicht dass der dann am Wagen kollidiert...

Die ganze Z-Achse ist nun 187mm breit (ohne Schmiernippel). Bleiben mit 640er Schienen noch 453mm Verfahrweg.
Das Maß werde ich wohl noch auf gerade Zahlen bringen (190mm), dann gewinne ich noch etwas Platz für die Spindelmutter..

Laut Programm wird die Fräse übrigens momentan etwa 42kg wiegen..
Ist es sinnvoll, die Längsträger des Chassis aus 100x100 Profil statt 100x50 zu bauen?

Am Montag geht's weiter.
Grüße, Stephan

KarlG · Aug 1, 2014

Wenn Du die Z-Achse mit nur 3 Wagen baust, gewinnst Du mehr Platz für die Mutter - sitzt sie halt ein bisserl aussermittig.
Und Du kommst besser an den Schmiernippel.

Wuiz hat gesagt.:

Vermutlich ja - gib mal die Abmaße und welche Profile das sind, dann kann ich das mal überschlägig rechnen. Portal ist ja auch ein wenig ungünstig mit dem 100x50 - das ist ja mit einem 120er schon knapp.

Warum bist Du auf das 50er Raster festgelegt - Sind die DInger schon vorhanden und kosten nix?

Gruss
Karl

Wuiz · Aug 2, 2014

Hi,
wird vermutlich auf drei Wagen rauslaufen, werde ich dann aber bei der Konstruktion nochmal genau unter die Lupe nehmen. Der Spaß soll sich ja am Ende auch angenehm montieren lassen.. Da wird auch noch Optimierung nötig sein.

Kosten wird mich das Profil schon was, aber weniger als vom Fremdhersteller oder Versand und es vor Ort verfügbar.
Zur Verfügung steht 30x30, 40x40, 50x50, 100x50, 100x100.
Es ist von den Werten vergleichbar mit dem schweren ITEM Profil:
- 100x50:
Wx=43,0cm
Wy=23,1cm³
Ix=215,2cm^4
Iy=57,8cm^4

- 100x100:
Wx, Wy=73,6cm³
Ix, Iy=368,1cm^4

100x100 erscheinen mir am Portalbalken allerdings etwas arg dick.. Am Chassis dagegen bekomme ich zusätzliche Montagemöglichkeiten durch eine weitere Nut und größere Auflagefläche für Tisch- und Opferplatten.

Viele Grüße,
Stephan

KarlG · Aug 2, 2014

Wuiz hat gesagt.:

Nein - eher mit den MK-Profilen, Die schweren items haben schon deutlich bessere Werte.

Ja.

Mal überschlägig:
- Portalbalken 640mm, 200N mittig = 0,027mm
- Längsträger 785mm, 50x100 senkrecht, 250N mittig = 0,017mm
- Längsträger 785mm, 100x100 , 250N mittig = 0,009mm

D.h.: Die Längsträger würden schon deutlich gewinnen; "Schwachstelle" ist aber eher der Portalbalken....
...aber die Werte sind in Ordnung. Auch mit den 50x100 auf der langen Achse, wenn das DIng nicht deutlich länger wird.

Gruss
Karl

Wuiz · Aug 2, 2014

Danke für die Werte. In welche Richtung "ziehst" du jeweils? Am Portalbalken vermutlich in Richtung der langen Achse?

KarlG hat gesagt.:

Du hast recht - das MK-Profil kannte ich nicht, ist aber auch von der Konstruktion her ziemlich identisch mit dem von mir angedachten.

KarlG hat gesagt.:

Auf der Langen Achse hätte ich kein Problem das 100x100 einzusetzen.
Ich verstehe allerdings die Werte für die Längsträger nicht ganz.
Angenommen du ziehst in Y-Richtung (Portalachse): Dann geht doch der Kraftfluss vom Fräser über das Werkstück ins Chassis, dort über die Querstreben zum Längsträger, über die Führungen in die Wange, ins Portal und über die Z-Achse wieder in den Fräser.
D.h., der Längsträger wird doch kaum Biegemomente erfahren, vielmehr aber die Wangen der Fräse.
Veranschaulichung in meiner Paint-Kunst im Bild.. (muss mal wieder mein verliehenes Stifttablet zurückfordern)

Eine Möglichkeit für's Portal wäre noch, den Balken mit einem zusätzlichen 50x100 L-Profil auf den zwei freien Seiten (unten, hinten) zu unterstützen.

Die Führungsschienen sollte man eher nicht bei solchen Berechnungen mit berücksichtigen? Ist ja doch ein ordentlicher Querschnitt aus Stahl, der am Profil fest montiert wird. (Sorry, solche Fragen klären sich wohl erst wenn man mal praktische Erfahrung gesammelt hat)

Größer wirds jedenfalls nicht. Die Y-Achse ist mit 450mm ausreichend, vielleicht gehe ich zu Gunsten der Stabilität noch etwas runter.

Gruß,
Stephan

KarlG · Aug 2, 2014

Wuiz hat gesagt.:

Ja - beim Portalbalken Druck (und Zug) in Längsrichtung bei Mittelstellung Z-Achse. Ausserdem (eigentlich) noch Torsion; die betrachte ich aber nicht mehr, weil die nicht zum Problem wird, wenn die Durchbiegung i.O. ist. Falls man mal eine völlig ungewöhliche Situation hat, dann würde ich auch mal überschlägig Torsion rechnen.

Beim Längsträger ist die Betrachtung anders. Hier hat das Portalgewicht den größten Anteil am Verzug, also als Extrem Mittelstellung Portal und Z-Achse (incl. Fräsmotor) ganz auf einer Seite am Anschlag.
D.h.: Je nach Konstruktion Portal gesamt 50kg; Z-Achse mit Fräsmotor 10kg - hat man im Extremfall (50-10)/2+10=~300N senkrecht auf einem Längsholm. Das ist natürlich auch nicht ganz korrekt, weil es keine Punklast ist und man bei den Längsträgern meist auch eine Teileinspannung hat, die nehme ich aber gern als "Reserve" mit und es soll ja auch nicht zu kompliziert werden.

Dann kommt noch das Kippmoment vom Portal - hier hat aber ein vernünftig dimensionierter Längsträger kaum einen Anteil, aber dafür die Stützweite der Linearwagen.

Dazu noch der Querverzug. Hier (ist ja nur halbe Last auf zwei sich gegenseitig stützenden Trägern + Lastverteilung durch die Aufspannplatte) sind primär die Wangen zu betrachten. Klar schaue ich mir die Träger in Querrichtung auch an, aber das ist selten ein Problem...

Einfach ein 80x4mm Flachalu drunterschrauben - hast hinten gleich die Auflage für die Schleppkette.

Ich rechne die nicht extra - auch keine inneren Verstärkungen. Kannst Du gerne machen, aber das lohnt imho den Aufwand nicht.

Sagen wirs mal so: Der tragende Teil sollte vernünftig dimensioniert sein - den Rest nimmt man dann als Geschenk mit und hofft, dass die verschlechternden Faktoren (bspw. Spiel der Führungswagen) die nicht komplett wieder auffressen.
Es gibt ja noch diverse Faktoren, die man nur mit großem Aufwand per FEM abbilden könnte, die man so schlicht nicht erfassen kann. Da rechne ich lieber überschlägig und dimensioniere auf der sicheren Seite. Für eine größere Serie, wo es um Optimierung des Materialeinsatzes ginge, wäre das dann was anders....

Gruss
Karl

Wuiz · Aug 4, 2014

Hallo Karl (und der mitlesende Rest),
das sind tatsächlich dann doch einige Betrachtungen mehr.. Aber klar betrachte ich auch lieber nur die tragenden Teile und nehme alles, was dazu kommt, zur Resever gerne mit. In der Praxis treten doch gerne nochmal Faktoren auf die man in der groben Theorie nicht berücksichtigt.

Das Flachalu werde ich wohl so übernehmen.

Eine andere Triviale Frage: Kommen die China-KUS in einer bestimmten Richtung montiert an? Sitzt also der Flansch der Spindelmutter immer auf Festlagerseite, wie auf den Bildern der Chinesen? Bei der Maschine ist er (habe nur auf Z geschaut) umgedreht auf Loslagerseite.

Viele Grüße,
Stephan

KarlG · Aug 4, 2014

Wuiz hat gesagt.:

Wenn Du gleich die Endenbearbeitung mitmachen lässt, kannst Du in der Zeichnung auch die Mutternrichtung vorgeben. Ansonsten ist das ja kein Aufwand, so eine Mutter umzudrehen...

Gruss
Karl

Wuiz · Aug 4, 2014

Ok, danke.. Weil nur ständig geschrieben wird, wie sehr man doch drauf achten soll, die Mutter zu entfernen. Aber lass ich mir sonst schnell eine Hülse drehen, dann bin ich nicht weiter drauf festgelegt, bzw. auch für künftige De-/montagearbeiten gerüstet.

KarlG · Aug 4, 2014

Wuiz hat gesagt.:

Nun - wer sie (ohne Hülse) einfach so runterdreht, hat ein paar Stunden anspruchvolle Fummelei vor sich

Vorausgesetzt, er findet alle Kugeln wieder...

Eine sollte man als Eigenbauer schon haben.

Gruss
Karl

Wuiz · Aug 4, 2014

Richtig. Unabhängig von der Richtung lässt es sich auch deutlich kompromissloser konstruieren.

Morgen gibt es dann mal einen neuen Stand der Fortschritte an der z-Achse. Da sind heute paar Details entstanden.. Vorallem ist bisschen Arbeit nötig, wenn sich nachher auch alles schön montieren und auch warten lassen soll.. Aber das wird!

Schönen Abend,
Stephan

Wuiz · Aug 5, 2014

Soo, es gibt Fortschritte an der Z-Achse. Es sind nun zunächst alle Komponenten (bis auf Antriebe und Spindeln) untergebracht, und möglichst nochmal so optimiert und platziert, dass auch die spätere Montage und Justage überhaupt möglich und angenehm wird.
Hier kommt nun ein Vorteil der Schwerlastwagen zur Geltung, denn sie lassen sich von beiden Seiten verschrauben (kann man natürlich durch selektive Wahl der Wagen auch beeinflussen).
Der Kompromiss ist nun, dass die Verschraubung der Portalwagen von den Wagen der Z-Achse teilweise verdeckt wird; aber so muss nicht mit einem Inbusschlüssel in 36mm Raum gefummelt werden, sondern ich kann Schritt für Schritt bequem montieren.

Wird dann später wohl so aussehen:
1. Schienen an den Portalbalken (locker)
2. Wagen drauf
3. Z-Trägerplatte und Stützplatte (für oberen Wagen) locker fixieren
4. Schienen ausrichten
5. Wagen ausrichten
6. weiter fixieren und alles festziehen, wenn fertig
7. dann Spindel und Spindelmutter auf Portalachse montieren
8. Z-Achse (Wagen, Spindelmutter, etc..) ähnlich vorgehen wie 1-7

Der Werkzeugträger wurde mit Zugangsbohrungen versehen, so komme ich in einer Position an alle Schrauben der Z-Lineartechnik inkl. Schmiernippel ran.

Weiter geht's nun mit den Antrieben, Wangen, Fest- und Loslager, Motorbefestigungen, etc..
Ich bin bei weiterer Recherche nach "Stützweite" irgendwie nicht ganz einig geworden: Das ist der Abstand auf einer Schiene zwischen zwei Führungswagen, richtig? (Der maximale tragende Abstand also).

Grüße, Stephan

Edit: .. und zum Abschluss des Tages nochmal ein Screenshot der gesamten Konstruktion hinzugefügt.

KarlG · Aug 6, 2014

Da geht es ganz schön eng zu. Ich würde an Deiner Stelle ersthaft überlgen, beim Portalbalken auf ein 160x40 zu gehen.

Das Ausrichten der Schiene am Portal macht sich viel besser, solange Du den Portalbalken noch irgendwo auflegen kannst. Im zusammengebauten Zustand hast Du keine saubere Referenzfläche mehr und kannst auch wg. größerem Abstand nur weniger genau messen.

Sonst sieht das Ding schon ganz passabel aus. DIe Frontplatten kommen mir etwas zu niedrig vor - unters Portal muss ja noch der Querträger samt Verschraubungen und evtl. müssen untendrunter noch Kabel platz finden, die dann möglichst nicht auf dem Tisch schleifen sollten.

Gruss
Karl

Wuiz · Aug 6, 2014

Hallo Karl,

geht es dir beim Portalbalken primär um die Montage- und Einstellfreundlichkeit und Platz oder trotzdem mehr um Stabilität/Steifigkeit?

Um eine saubere Fläche zum Ausrichten zu bekommen fehlen momentan noch >11mm. Das ist Der Abstand von Unterkante Schlitten zum Profil. Ließe sich auch entweder durch eine ausreichend (aber meiner Meinung nach sonst sinnlos) dicke Platte lösen, oder durch bspw. zwei kurze Stücke (plangefrästes) 15er Material, die ich zur Montage unten am Profil befestige.
Andernfalls stehen mir auch Montageplatten und-Winkel (Stahl) zur verfügung, die idR für solche Zwecke genutzt werden.

Ja, die Front- und Rückplatte wurde auch noch nicht weiter beachtet, bzw. zunächst so ausgelegt, dass der Querbalken drunter passt. Bei der Kabelführung bin ich allgemein momentan noch am überlegen, wo was hin kommt..

Nachher gibt's nochmal ein Bild.

Grüße, Stephan

Eine weitere robuste Eigenbau-Portalfräse entsteht

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