CNC Portalfräse: BZT - PFU-S 1510-G

Grundsätzliches

Gerätebeauftragte: Stefan, Martin, Kilian, Kevin, Johann, Alex

Bedienung

Grundlagen

Fräsen ist ein subtraktives Verfahren der Materialbearbeitung. Dabei werden Späne
vom Werkstück abgehoben d.h. Material wird subtrahiert. Ein additives Verfahren im Gegensatz
dazu ist der 3D-Druck, dabei wird Material schichtweise aufgetragen.
Eine Fräse arbeitet ähnlich einer Bohrmaschine. Aber ein Fräser kann nicht nur Löcher bohren,
sondern auch seitlich schneiden. Und es gibt viele verschiedene Fräserformen. Der Fräser kann
durch eine frei bewegliche Mechanik in allen 3 Raumrichtungen bewegt werden. Die Portalform ist
für Plattenmaterial sehr günstig, weil die Fräse wie eine Brücke das Material umschließt und jeden
Punkt erreichen kann. Die automatischen Fräsbewegungen kontrolliert ein Computer sehr genau.
Und bei Bedarf tut er dies vielfach in gleicher Weise, ohne daß ihm langweilig wird.
Unsere Portalfräse ist für die Bearbeitung von eher weichen Materialien wie Holz, Kunststoff und
Aluminium geeignet. Stahl ist zu hart und würde sie überfordern.
Unsere Fräse hat 3 Achsen. Bei der Konstruktion des Frästeils sollte bereits die Fräsbarkeit
berückssichtigt werden. Da die Frässpindel immer senkrecht über dem Werkstück steht und nicht
gekippt werden kann, sind z.B. Hinterschneidungen nicht möglich. Auch können keine
scharfkantigen Innenecken gefräst werden; der Durchmesser des Fräsers legt den minimal
möglichen Radius fest.

Begriffsklärung:

CNC = Computer Numeric Controlled oder PC-gesteuert
CAD = Computer Aided Design oder 3D-Zeichnen am PC
CAM = Computer Aided Manufacturing oder Materialverarbeitung am PC

Arbeitsschritte:

1. Vorbereitung, Werkstück und Fräser spannen
   Wir wollen aus einem Stück Holz einen Smiley fräsen.
   Was brauchen wir dafür an Material?
   Holz in Plattenform aus dem Baumarkt (Multiplex-Sperrholz, Leimholz, Massivholz)
   Fräser am günstigsten aus dem online-Handel (10er-Pack, 3.175mm, Hartmetall, 1-schneidig)
   Holzschrauben in passender Länge (Materialdicke plus 10 bis 15mm maximal)
   Es gibt viele verschiedene Fräser. Sie unterscheiden sich in Form, Durchmesser, Länge, Anzahl der
   Schneiden und Fräsermaterial. Der Fräser sollte zum zu bearbeitenden Material passen. Besonders
   wichtig ist, daß die Schneidenlänge größer als die Materialdicke ist. Und die Späne auch bei voll
   eingetauchtem Fräser noch gut abgeführt werden können. Die Schnittparameter wie
   Spindeldrehzahl, Vorschub etc müssen zu Material und Fräser passen; sie werden im nächsten
   Video behandelt.
   Es gibt verschiedene Arten das Werkstück auf dem Fräsenbett zu befestigen (=spannen):
   Mit Spannpratzen auf dem T-Nuten-Tisch. Mit Spannklemmen. Mit einem Maschinenschraubstock.
   Mit Heißkleber auf einer Aluplatte. Mit einem Vakuumtisch.
   Wir befestigen das Werkstück mit Holzschrauben auf der Opferplatte. Das ist bei Plattenmaterial
   sicher und kostengünstig. Wir müssen aber aufpassen, daß wir nicht in die Schrauben hineinfräsen.
   Und daß der der ausgeschnittene Smiley nicht losgerissen und umhergewirbelt wird. Das wäre
   gefährlich und würde das Werkstück beschädigen. Um dem vorzubeugen muss auch das
   ausgeschnittene Teil mit der Opferplatte zu geeigneter Zeit sicher verschraubt werden.
   Fräser auswählen und erklären
   Fräserschutz (=Plastikschlauch) anlegen
   Fräser in Spannfutter mit Hilfe der Tischhalterung und des Spannschlüssels handfest einspannen
   Wichtig: Fräser sollte so kurz wie möglich, aber so lang wie nötig eingespannt sein.
   Spannfutter einsetzen, prüfen ob´s wackelt, ggf. um 180 Grad drehen, 2.5mm Inbus-Schraube
   anziehen, Staubschutzring schliessen
   Absaugschuh installieren, Saugschlauch aufstecken
   Werkstück mit Spaxschrauben auf Opferplatte spannen.
   Achtung: Opferplatte ist nur 18mm dick, darunter befindet sich ein empfindlicher T-Nut-Tisch aus
   Aluminium
   Befestigung für später frei bewegliche Teile bedenken
   Nullpunkt für X und Y markieren
   Fräserschutz entfernen
    
2. Fräsparameter mit Fusion 360 CAM festlegen
   Welchen Fräser wählen wir aus? Da wir für den Smiley keine großen Holzmengen ausräumen
   müssen, sondern vorwiegend aus Plattenmaterial etwas ausschneiden wollen, nutzen wir einen
   dünnen, kostengünstigen 1/8-Zoll-Fräser. Um die passenden Schnittdaten definieren zu können,
   schauen wir uns den Reiter Vorschubberechnung der Eding-CNC-Software an (Screenshot).
   Typischer Richtwert aus der Tabelle für Holz: 0.1mm/Zahn
   Vorschub für einen 1-Zahn-Fräser bei 18000 U/min Spindeldrehzahl: 1800 mm/min
   Oder Daumenregel: Holz 2000 mm/min und Alu 1000mm/min.
   Fusion 360 starten und mit Benutzername, Passwort einloggen
   Projekt „Smiley“ aus der Cloud laden. Oder neue Kontruktion aus Datei laden (*.f3d oder *.stp)
   CAM-Modul öffnen
   Fräser definieren
   Unter Verwalten die Werkzeugbibliothek öffnen
   Bei den Bilbliotheken das aktuelle Dokument anwählen
   Neues Fräswerkzeug anlegen und wie folgt definieren
   Reiter Allgemein: Nur Beschreibung vergeben
   Reiter Werkzeug: Typ Schaftfräser, Einheit mm, Schneidenzahl 1, Material Hartmetall, Rotation
   Uhrzeigersinn, 1 Schneide, Kühlung nein,
   Durchmesser 3.18mm, Schneidenlänge 16mm, Schulterlänge 16mm
   Schaftdurchmesser 3.18mm, Körperlänge 38mm, Gesamtlänge 38mm
   Reiter Schaft: leer lassen
   Reiter Halter: leer lassen
   Reiter Schnittdaten: Spindeldrehzahl 18000 U/min, Schnittvorschub 1800 mm/min,
   Schnittvorschubpro Zahn 0.1mm
   Reiter Postprozessor: Nummer (des Fräsers) 1, Längen- und Durchmesserversatz und Revolver
   auf 0, Nebelkühlung NMS anwählen, damit Relais für Absaugung automatisch schaltet, manueller
   Werkzeugwechsel und angetriebenes Werkzeug anwählen
   Mit OK werden Änderungen gespeichert
   Wichtig: Damit freigefräste Objekte im weiteren Fräsverlauf an ihrem Platz bleiben, müssen sie
   ebenfalls durch Schrauben festgehalten werden. Dies kann während einer Fräsunterbrechung mit
   einem "virtuellen" Fräserwechsel erledigt werden. Dabei fährt die Fräse in ihre Parkposition und es
   können in Ruhe die zusätzlichen Schrauben gesetzt werden.
   Fräser Nummer 1 duplizieren
   Reiter Postprozessor: Fräser Nummer von 1 auf 2 ändern
   Mit OK werden Änderungen gespeichert
   Werkzeugbibliothek schliessen
    
3. Fräsparameter mit Fusion 360 CAM festlegen
   Welchen Fräser wählen wir aus? Da wir für den Smiley keine großen Holzmengen ausräumen
   müssen, sondern vorwiegend aus Plattenmaterial etwas ausschneiden wollen, nutzen wir einen
   dünnen, kostengünstigen 1/8-Zoll-Fräser. Um die passenden Schnittdaten definieren zu können,
   schauen wir uns den Reiter Vorschubberechnung der Eding-CNC-Software an (Screenshot).
   Typischer Richtwert aus der Tabelle für Holz: 0.1mm/Zahn
   Vorschub für einen 1-Zahn-Fräser bei 18000 U/min Spindeldrehzahl: 1800 mm/min
   Oder Daumenregel: Holz 2000 mm/min und Alu 1000mm/min.
   Fusion 360 starten und mit Benutzername, Passwort einloggen
   Projekt „Smiley“ aus der Cloud laden. Oder neue Kontruktion aus Datei laden (*.f3d oder *.stp)
   CAM-Modul öffnen
   Fräser definieren
   Unter Verwalten die Werkzeugbibliothek öffnen
   Bei den Bilbliotheken das aktuelle Dokument anwählen
   Neues Fräswerkzeug anlegen und wie folgt definieren
   Reiter Allgemein: Nur Beschreibung vergeben
   Reiter Werkzeug: Typ Schaftfräser, Einheit mm, Schneidenzahl 1, Material Hartmetall, Rotation
   Uhrzeigersinn, 1 Schneide, Kühlung nein,
   Durchmesser 3.18mm, Schneidenlänge 16mm, Schulterlänge 16mm
   Schaftdurchmesser 3.18mm, Körperlänge 38mm, Gesamtlänge 38mm
   Reiter Schaft: leer lassen
   Reiter Halter: leer lassen
   Reiter Schnittdaten: Spindeldrehzahl 18000 U/min, Schnittvorschub 1800 mm/min,
   Schnittvorschubpro Zahn 0.1mm
   Reiter Postprozessor: Nummer (des Fräsers) 1, Längen- und Durchmesserversatz und Revolver
   auf 0, Nebelkühlung NMS anwählen, damit Relais für Absaugung automatisch schaltet, manueller
   Werkzeugwechsel und angetriebenes Werkzeug anwählen
   Mit OK werden Änderungen gespeichert
   Wichtig: Damit freigefräste Objekte im weiteren Fräsverlauf an ihrem Platz bleiben, müssen sie
   ebenfalls durch Schrauben festgehalten werden. Dies kann während einer Fräsunterbrechung mit
   einem "virtuellen" Fräserwechsel erledigt werden. Dabei fährt die Fräse in ihre Parkposition und es
   können in Ruhe die zusätzlichen Schrauben gesetzt werden.
   Fräser Nummer 1 duplizieren
   Reiter Postprozessor: Fräser Nummer von 1 auf 2 ändern
   Mit OK werden Änderungen gespeichert
   Werkzeugbibliothek schliessen
    
4. Fräsbahnen mit Fusion 360 CAM berechnen
   Fusion 360 starten und mit Benutzername, Passwort einloggen
   Projekt „Smiley“ aus der Cloud laden. Oder neue Kontruktion aus Datei laden (*.f3d oder *.stp)
   CAM-Modul öffnen (Ansicht rotieren mit Shift+MM)
   Setup definieren
   Unter Setup ein neues Setup erstellen
   Reiter Setup: Operationstyp Fräsen,
   Werkstückkoordinatensystem festlegen wie bei der Fräse (Z zeigt nach oben, X zeigt nach rechts, Y
   zeigt nach hinten), Ursprung liegt auf Modellrahmen (Werkstückoberfläche), als Model den Körper
   auswählen, keine Spannmittel wählen
   Reiter Rohteil: unter Modus Rohteilgröße als Quader mit fester Größe eingeben, Lage des Modells
   im Rohteil festlegen
   Reiter Postprozessor: einen sinnvollen Programmnamen (smiley) vergeben, so heißt später dann
   der G-Code
   Bearbeitungsschritte definieren
   2D Bohrfräsen
   Reiter Werkzeug: Fräser 1 auswählen, Schnittdaten prüfen, mit OK bestätigen
   Reiter Geometrie: zu fräsende Löcher auswählen, Schraublöcher (Pupille) und Aufhängeloch
   Reiter Höhen: Obere Höhe=Modelloberkante, Endhöhe=Modellunterkante-1mm
   Reiter Durchgänge: unverändert lassen
   Reiter Anfahr-Wegbewegungen: unverändert lassen
   Bearbeitungsschritt mit OK bestätigen
   Simulieren
   2D Tasche
   Reiter Werkzeug: Wichtig: Fräser 2 auswählen, Schnittdaten prüfen, mit OK bestätigen
   Reiter Geometrie: Augenringe (Fläche unten) anwählen
   Reiter Höhen: Obere Höhe=Modelloberkante, Endhöhe=Auswahl, Augenring erneut auswählen
   Reiter Durchgänge: Gegenlauffräsen wählen, Tiefenschnitte: max Schrupptiefenzustellung 2mm
   Reiter Anfahr-Wegbewegungen: Werkzeug unten halten, alles andere unverändert lassen
   Bearbeitungsschritt mit OK bestätigen
   Simulieren
   2D-Tasche
   Reiter Werkzeug: Fräser 2 auswählen, Schnittdaten prüfen, mit OK bestätigen
   Reiter Geometrie: Mund (Fläche unten) anwählen
   Reiter Höhen: Obere Höhe=Modelloberkante, Endhöhe=Auswahl, Mund erneut auswählen
   Reiter Durchgänge: Gegenlauffräsen wählen, Tiefenschnitte: max Schrupptiefenzustellung 2mm
   Reiter Anfahr-Wegbewegungen: Werkzeug unten halten, alles andere unverändert lassen
   Bearbeitungsschritt mit OK bestätigen
   Simulieren
   2D-Kontur
   Reiter Werkzeug: Fräser 2 auswählen, Schnittdaten prüfen, mit OK bestätigen
   Reiter Geometrie: Außenkontur (unten) anwählen, prüfen ob Fräsbahn außerhalb verläuft, ggf
   korrigieren
   Reiter Höhen: Obere Höhe=Modelloberkante, Endhöhe=Modellunterkante-1mm
   Reiter Durchgänge: Gegenlauffräsen wählen, Tiefenschnitte: max Schrupptiefenzustellung 2mm
   Reiter Anfahr-Wegbewegungen: Werkzeug unten halten, alles andere unverändert lassen
   Bearbeitungsschritt mit OK bestätigen
   Simulieren
   Optional: gesamtes Setup simulieren
   Aktionen Postprozess erzeugt G-Code
   Prüfen ob passend für BZT-Fräsesteuerung „eding“ gewählt ist
   Ausgabeordner festlegen
   Postprozessor klicken um G-Code zu erzeugen
   Dateiname und Ausgabeordner können ggf geändert werden, Speichern
   G-Code wird im Editor geöffnet, kurz erläutern
   Optional: Aktionen Einstellblatt
   Ausgabeordner festlegen
   Fräser und Fräsdauer prüfen
    
5. Frässimulation mit Eding CNC
   Fräse und Spindel bleibt ausgeschaltet
   Eding CNC4.02.65 (Beginner) starten (Simulationsmodus)
   ggf Admin-Berechtigung erteilen
   Reset F1 macht Fräse betriebsbereit
   Fräsachsen referenzieren (Maschinenkoordinaten)
   ggf Fräse auf Werkstück Mittelpunkt und Oberfläche nullen (Werkstückkoordinaten, blaues Kreuz
   zeigt Lage des XY-Nullpunkts)
   G-Code laden F4 Auto, F2 Load, Datei auswählen
   Fräsbahnen prüfen, besonders auf Kollision in Z-Richtung
   Grafikanzeige: Strg+LM:Rotieren, RM:Zoom, LM:Verschieben
   Frässimulation starten F4
   Fräser 1 laden bestätigen
   Löcher werden gefräst
   wenn Fräse wieder in Parkposition ist, könnten Schrauben gesetzt werden
   Fräser 2 laden bestätigen
   Smiley wird gefräst
   Fräsvorgang pausieren/fortsetzen mit F4
   Programm beenden
    

Software:

Die Umsetzung eigener Projekte mit der CNC-Fräse erfordert folgende Bearbeitungsschritte mit der jeweils empfohlenen Software:
1. Konstruktion (CAD) mit Fusion 360: https://www.autodesk.com/education/home
2a. Erzeugung des maschinenspezifischen G-Codes (CAM): das CAM-Modul ist enthalten in Fusion 360
2b. alternativ kann auch MecSoft’s VisualCAD/CAM verwendet werden: https://mecsoft.com/visualcadcam/
3. Maschinensteuerung mit Eding CNC: http://www.edingcnc.com/download.php

Der Vorteil der Kombination 1.+2a.+3. ist, daß insgesamt nur 2 Programme benötigt werden. Fusion 360 (Schritt 1+2a) und Eding CNC (Schritt 3) können kostenlos heruntergeladen und ohne zeitliche Begrenzung für Ausbildungszwecke verwendet werden.
Das CAM-Modul stellt verschiedene maschinenspezifische Postprozessoren bereit und sollte auf Eding eingestellt werden. Ich empfehle beide Programme auf dem eigenen Rechner zu installieren und die Handhabung zu üben. Das macht auch ohne angeschlossene Fräse Sinn, weil beide Programme die Fräsbahnen simulieren und sehr anschaulich visualisieren können. Das ermöglicht gefahrloses Üben ohne Personenschäden und Fräserbruch.

Technische Daten: Verfahrwege: X: 1020 mm Y: 1510 mm Z: 275 mm

Modell: PFU-S-2 1510-G
Genauigkeit: +/- 0.02 mm bis +/- 0.5 mm (Größenabhängig)
Leistung: 2,2 kW Spindel
Besonderheiten: Sprühkühlung, Absaugung