Konstruktion und Bau einer Delta CNC Fräse

FlyingGeek

Neuer Benutzer
#1
Hi,
wie der Titel schon sagt, möchte ich hier die Konstruktion und den Bau einer kleinen Deltafräse dokumentieren.

Aber bevor ich loslege will ich mich noch kurz vorstellen:
Ich heiße Stefan, bin 20 Jahre alt und studiere Maschinenbau in Hamburg.
Seit über 11 Jahren bin ich Modellflieger und lese bei euch seit 2011 fleißig mit :)


Wie bin ich überhaupt darauf gekommen?
Vor nicht ganz einem Jahr bin ich beim wahllosen scrollen durch ein Forum mal wieder auf einen Delta 3D-Drucker gestoßen. Darauf hin habe ich mich dann gefragt, ob es sowas nicht auch als Fräse gibt. Es dauerte nicht lang bis ich die ersten Videos eines 5-Achsen Modells gefunden hatte, was zugegeben sehr cool aussah :D
Darauf hin hab ich mich dann ein bisschen intensiver mit der Thematik beschäftigt.

So, jetzt aber zum interessanten Teil:
Zuerst habe ich mich mit der Armlänge beschäftigt. Wenn man ein bisschen googelt, findet man eine Seite über das Thema Delta-Geometrie bei 3D-Druckern. Auf dieser heißt es: Je größer der minimal Winkel zwischen Grundplatte und Arm, umso stabiler ist der Effektor. Je flacher der Winkel, umso schneller ist er.
Da leider nicht wirklich beschrieben war wie diese Erkenntnisse zu Stande gekommen sind und die Belastungen von Drucker und Fräse nicht vergleichbar sind, habe ich ein vereinfachtes Modell des Effektors aufgestellt.

Durch ein bisschen überlegen habe ich die ersten Grundparameter wie folgt festgelegt:
Durchmesser des Arbeitskreises 200mm
Abstand der Armgelenke vom Effektormittelpunkt 30mm
Minimaler Abstand der Führungen (bzw. den Armgelenke) vom Effektor (bzw. dem anderen Gelenk) 40mm

Dann habe ich die aufgestellten Funktionen in Grapher eingegeben und habe die Funktion für eine Armlänge von 240 bis 350mm dargestellt. Außerdem habe ich die X-Koordinate des Effektors von 40mm bis 240mm animiert.

Das Ergebnis sieht man im folgenden Video:
[video=youtube;L-j59Dge18M]https://www.youtube.com/watch?v=L-j59Dge18M[/video]

Selbstverständliche habe ich die Simulation nochmal mit umgekehrt wirkenden Kräften etc. gemacht.
Das Ergebnis bleibt jedoch das Gleiche:
Die Kräfte in den Armen 2 und 3 (lila und blau) steigen am Rand des Arbeitskreises im vorderen Bereich auf einmal exponentiell. Außerdem steigen die Kräfte in den Armen mit zunehmender Armlänge an.
Was lernen wir daraus?
Die Aussage, dass ein größerer Winkel erhöhte Stabilität bedeutet, ist bei den Belastungen einer Fräse falsch.
Die optimale Armlänge befindet sich an der Stelle, an der die Funktion nicht mehr signifikant ansteigt.
In meinem Fall 260mm.

Für die Leute, die es interessiert, habe ich Fotos von meinem Freikörperbild und den Berechnungen angehängt. Beachtet bitte, dass meistens nur die erste Zeile der Rechnung relevant ist und so eingetippt wurde. Die ausformulierten Zeilen darunter können also Fehler enthalten.

Als nächstes werde ich mich um die Herzstücke aller Deltas kümmern: die Gelenke

Bitte verzeiht mir falls es nicht so oft updates gibt, aber Klausuren gehen leider vor :rolleyes:
 

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Mayday

Expert somehow
#2
Sehr schön! Wirklich!
Aber es drängt sich die Frage auf, welchen Sinn eine Solche Fräse hat. Was hast Du vor? Oder geht es, wie so oft in solchen Fällen, nur um die Machbarkeit?
 

FlyingGeek

Neuer Benutzer
#3
Danke :)
Die Neugier ob so etwas machbar ist, ist natürlich der Hauptfaktor.
Allerdings war mein Plan ursprünglich mal eine normale, kartesische Fräse zu bauen. Dabei ist es allerdings sinnvoller auf einer der drei Achsen zwei Schrittmotoren zu verwenden, was wieder teurer wird.
Ich hab also grob die Kosten überschlagen und bin zu dem Schluss gekommen, dass ich mit einer Deltafräse für weniger Geld um einiges mehr an Arbeitsbereich habe.
Ob das nachher tatsächlich der Fall ist wird sich rausstellen :D
 

Optimus

Erfahrener Benutzer
#4
Moin, glaub mir, bau dir erst mal eine kartesische ;-). So ein Deltadingens haben erfahrene Fräsenbauer mit vielen Jahren Erfahrung in der CNC Ecke gebaut. Und die haben sich soviel ich weiss fast die Zähne dran verbissen. Vom Bau mal abgesehen war die Software glaub ich auch ein grosses Problem.
Nicht bös gemeint aber du wirst nicht fertig damit und billiger wird das ganz sicher auch nicht.

Gruss Stefan
 

FlyingGeek

Neuer Benutzer
#5
Update

Die Berechnungen und das CAD-Modell sind komplett fertig.
Dabei hatte ich auch die Möglichkeit die aktuellen Grenzen von Fusion 360 auszutesten. Ab einer noch relativ kleinen Baugruppengröße von ca. 2000 Teilen ist ein Bearbeiten nahezu nicht mehr möglich. Daher muss ich bei zukünftigen Projekten wohl wieder auf Inventor zurückgreifen bis Autodesk das geändert hat. Für kleinere Hobbyprojekte ist es aber jetzt schon eine sehr interessante alternative :)

Die Berechnungen und Simulationen werde ich hier nicht abdecken, sondern lediglich kurz erklären wie die einzelnen Teile aufgebaut sind. Die meisten Teile sind maßlos überdimensioniert, da die Teile sonst viel zu klein werden und nicht mehr in unserer Studierendenwerkstatt fertigbar bzw. ordentlich montierbar sind.

1. Die Gelenke
Die Gelenke sind bei einer Deltafräse eins der wichtigsten Teile. Sie weisen zwei Freiheitsgrade auf und sind um beide Achsen gelagert. Das Lagerspiel ist durch eine Mutter sowie das eindrehen der Kopfwelle in den Lagerkopf einstellbar. Zum Einsatz kommen MR128 ZZ und MR106 ZZ Miniaturkugellager. Diese sind gewaltig überdeminsionert, weswegen auf ein zusätzliches Axiallager verzichtet wurde.

2. Die Schubstangen
Die Schubstangen bestehen aus 2 Köpfen, welche mit Konstruktionsklebstoff in ein Alurohr eingeklebt werden. Das ganze wird mithilfe einer Montagehilfe ausgerichtet und aushärten gelassen. Dadurch wird sicher gestellt, dass die Achsen genau parallel und in dem vorgegeben Abstand zueinander liegen.
Die selbe Konstruktion haben wir auch bei unserem diesjährigen Formula Student Auto angewandt und im Zugversuch getestet. Testergebniss: Versagen der Klebung bei 14,5 kN Zugkraft, also auch reichlich überdimensioniert.

3. Der Effektor
Oder genauer die Effektor-Platten. Hierbei wurde eigentlich nur darauf geachtet, dass der Abstand der beiden Arme auf einer Seite so groß wie möglich sein sollte. Gleichzeitig sollte aber der Abstand zum Effektor Mittelpunkt so gering wie möglich sein.
In die Platten sind die Kugellager für die Gelenke sowie das Nadellager für die Spindel eingepresst.
Für den Motor kommt ein einfacher Brushless mit 420W und einer 5mm Welle zum Einsatz. Dieser sollte theoretisch die auftretenden Axiallasten ohne Probleme aufnehmen. Die Radiallast nimmt ein HK1612 Nadellager auf. Sollte der Motor axiales spiel aufweisen werde ich die Lagerung noch um ein geeignetes Axiallager ergänzen.

4. Die Schlitten
Die Schlitten sind sehr simpel aufgebaut. Auch sie bestehen aus 2 Platten in die die Kugellager für die Gelenke eingepresst werden. Die Trapezgewindemutter und Linearlager werden mithilfe von Durchtseckschraubverbindungen befestigt.

5. Die Führungen, Spindeln und Motorhalterungen
Als Führungen kommen 0815 gehärtete Stahlwellen mit 10mm Durchmesser zum Einsatz. Gehalten werden sie von den standard Halterungen.
Die Spindel ist eine Tr8x2. Sie ist an der unteren Halteplatte in ein Lager eingespannt, welches die gesamten Kräfte aufnimmt und somit den Schrittmotor entlastet.
Die Halteplatten werden aus 12mm Aluplatten gefräst. Auch hier wieder völlig überdimensioniert, aber steht massig zur Verfügung.

6. Der Tisch
Der Tisch besteht auch aus 12mm Aluminium und dient gleichzeitig als Verbinder der 6 Aluprofile die im Stern angeordnet sind. unter den Aluprofilen ist ein weitere Verbinder aus 6mm Aluminium, der ein Durchbiegen der Tischbaugruppe verhindert.

7. Das Gestell
Das Gestell besteht aus Item Aluminium-Profilen. diese werden mit den dazugehörigen Winkeln und speziell angefertigten Montagehilfen in Stern-Dreieck-Kombination verschraubt. An den vertikalen Profilen werden die Führungen befestigt und am oberen ende zusätzlich ein weiteres Dreieck.
Zugegeben die Aluprofile sind nicht günstig, aber dafür stabil, präzise und vor allem unglaublich einfach zu verarbeiten. Hier muss nur passend zurecht gesägt werden und anschließend zusammengepuzzelt.

8. Die Elektronik
Als Schrittmotoren kommen Nema17 mit 0,5Nm zum Einsatz. Bei Gelegenheit und vor allem Geld werden diese durch Servo-Motoren ersetzt, diese sind leiser und vor allem wesentlich schneller.
Als Steuerung werde ich als Test ein Ramps 1.4 mit Marlin Firmware dranhängen. Hier auch wieder Aufgrund der Neugier ob ein Arduino Mega tatsächlich in der Lage ist die Berechnungen akkurat genug auszuführen. Sollte dies nicht der Fall sein, bekomme ich über Connections ein Controllerboard relativ günstig und werde dann das ganze mit LinuxCNC betreiben.


Der nächste Schritt ist die Fertigung und die Montage. Außerdem muss ich noch eine Aufnahme für die Messuhr konstruieren, mit der die Fräse später genau eingestellt bzw. zentriert werden kann.
Das meiste Halbzeug habe ich bereits bestellt und erhalten. Es fehlen lediglich die Führungen, ein paar Aluplatten und vor allem die Itemprofile. Der Hauptgrund warum sich der Aufbau wahrscheinlich noch etwas ziehen wird ist, dass ich im Moment kein Geld für die Aluprofile und zugehörigen Winkel habe. Ansonsten werde ich alle Teile in nächster Zeit fertigen und berichten.

Hier abschließend noch ein paar gerenderte Bilder des CAD-Modells ;)
 

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FlyingGeek

Neuer Benutzer
#6
Moin, glaub mir, bau dir erst mal eine kartesische ;-). So ein Deltadingens haben erfahrene Fräsenbauer mit vielen Jahren Erfahrung in der CNC Ecke gebaut. Und die haben sich soviel ich weiss fast die Zähne dran verbissen. Vom Bau mal abgesehen war die Software glaub ich auch ein grosses Problem.
Nicht bös gemeint aber du wirst nicht fertig damit und billiger wird das ganz sicher auch nicht.
Es gibt zahlreiche, sehr gut funktionierende Software mit der auch Deltabots mit 5 und mehr Achsen betrieben werden können. Ein Beispiel ist LinuxCNC. Da ich jemanden kenne der sich damit auskennt ist das meine geringste Sorge ;)
Die Fertigung sollte auch kein Problem sein, da unsere Studierendenwerkstatt gut ausgestattet ist und ich über die Uni noch Kontakte zu anderen Werkstätten habe.
Das einzige was mir sorgen macht ist eine eventuelle Schwingungsanfälligkeit der Konstruktion, da ich dafür nicht ausreichend Berechnungen gemacht habe. Allerdings sollte das auch erst bei sehr großen Schnittgeschwindigkeiten, welche ich wahrscheinlich niemals erreichen werde, ein Problem werden.
 
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FPVenom

Unerfahrener Benutzer ;)
#7
Ich hab so gut wie gar keine Ahnung vom CNC-Fräsen aber Holy Moly sieht das Teil scharf aus. Cool wären noch kleine Flutlichter um den Arbeitsbereich auszuleuchten ;)
 
#9
Schaut sehr cool aus! Mir gefällt das du überwiegend Profile und Winkel verwendest die es überall gibt.
Die Freitragenden Führungen würde ich aber vielleicht ersetzten. Supported Rails oder kleine Linearführungen kosten doch auch nix mehr.
https://www.banggood.com/search/linear-rail.html

Was willst als Spindelmotor verwenden? Schaut aus wie n Außenläufer was du da gezeichnet hast.

Zum ausleuchten einfach kleine COB Leds unten an die Stehenden Profile:
https://www.banggood.com/4W-48led-C...ite-For-DIY-DC-12V-p-959059.html?rmmds=search
 
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Mayday

Expert somehow
#10
Dachte ich auch; Lieber innen auf die senkrechten Profile jeweils eine (große) Linearführung. Fühung und Profil zusammen dürften dann kaum noch Durchbiegung bringen und die Konstruktion eines Wagens/Schlittens wird dann auch nicht komplizierter.
 

PmK

Neuer Benutzer
#11
Ich bin gespannt was du dann am Ende damit zerspanst und mit welcher Performance. Das mit den Führungen kann ich auch nur unterschreiben. Da sollten ordentliche Linearschienen verbaut sein sonst kannst du das nach den ersten Fräsversuchen gleich wieder umbauen. Auch erscheinen mir die Nema17 etwas dürftig wenns mehr als nur Holz zu zerstäuben gibt.
Das ganze mit LinuxCNC zu betreiben wird sicher auch ein Spaß. Ich hab das Thema auch durch und hab vor ein paar Jahren auch eine kleine Fräse gebaut und steuer die mit LinuxCNC an. Das läuft jetzt sehr zuverlässig. Wobei die Programmierung bei diesem Projekt hier natürlich ein anderes Kaliber ist. Ich drücke dir auf jedenfall die Daumen das das Gerät am Ende auch brauchbar wird!
Ich hab dafür mehrere Anläufe gebraucht und eines mehr Geld zum Fenster rausgeworfen als unbedingt notwendig hätte sein müssen.
Kann dir nur empfehlen in der CNC-Ecke Rat zu suchen wenns Probleme gibt. Da tummeln sich echt ein Haufen kompetente Leute.
 

Nimrod

Erfahrener Benutzer
#12
Schau mal bei Igus nach den linearführungen. Die gibt es in versch. Ausführungen und Dicken. Ich habe die 12er und 15er in Benutzung. Die sind stabil wie Sau die 15er. Nimm ne Nummer größer, kostet zwar ordentlich, aber ist sehr stabil und nicht kaputt zu kriegen.
 

FlyingGeek

Neuer Benutzer
#13
Update

Die Sicherungsmuttern habe ich noch in der vorlesungsfreien Zeit fertig gestellt.
Da nun das Semester wieder begonnen hat und ich momentan alle Geldresourcen brauche um mir einen CAD-Computer aufzubauen ist das Projekt erstmal pausiert.
Sobald wieder Zeit und finanzielle Mittel bereit stehen berichte ich weiter :D
 
#14
Update 2

Das Projekt liegt weiterhin auf Eis, da ich nahezu keins der Teile auf unserer manuellen Fräse fertigen kann sondern auf die CNC zurückgreifen müsste. Und die ist leider gerade im Umbau.
Vielleicht konstruiere ich doch erst eine kartesische, da sich dort die Fertigung deutlich einfacher gestaltet. :rolleyes:
 
RCLogger

FPV1

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