Ein Werkstattprojekt vom ersten Entwurf bis zur funktionsfähigen kleinen Fräse.

Der Einstieg in dieses Projekt war ein Anycubic i3 Mega S. Nach den ersten Druckversuchen war schnell klar, dass sich mit dem Gerät nicht nur Kleinteile herstellen lassen: Eine kompakte, anpassbare CNC-Fräse wurde zum nächsten großen Werkstattprojekt.

Wie jeder 3D-Druck-Anfänger hatte auch ich zunächst die Qual der Wahl. Es gibt viele Hersteller und noch mehr Modelle, jedes mit seinem eigenen Für und Wider. Meine wichtigste Informationsquelle war YouTube: Dort habe ich mir zahlreiche Vorstellungen und Erfahrungsberichte zu verschiedenen Druckern angesehen.

Ein weiteres Kriterium waren Freunde und Bekannte mit eigener 3D-Druck-Erfahrung. Mir war wichtig, dass jemand in meinem Umfeld dasselbe Modell kennt und bei den ersten Fragen mit praktischen Tipps helfen kann.

Eine CNC-Fräse befindet sich schon seit einigen Jahren in meinem Besitz: eine Easy 300 von EAS mit einem Verfahrweg von 1110 × 300 × 110 mm. Durch die Erfahrungen mit der neuen Selbstbaufräse bekommt die ältere Maschine nun eine Generalüberholung. Danach soll sie wieder für feine Arbeiten an Kunststoff, Holz und Aluminium eingesetzt werden.

Was mir noch fehlte, war eine Fräse fürs Grobe: eine Maschine für große Holzplatten und Arbeiten, bei denen es nicht auf den Hundertstelmillimeter ankommt. Damit möchte ich unter anderem eigene Modulkästen für die Modellbahn konstruieren und bauen.

Die Idee einer selbst gebauten Fräse aus vielen 3D-gedruckten Teilen hat mich sofort begeistert. Als Grundlage dient eine MPCNC, die sich gut an den verfügbaren Platz und die gewünschte Frässpindel anpassen lässt.

Für die gedruckten Bauteile habe ich passende MPCNC-Dateien verwendet und einige sinnvolle Modifikationen ausgewählt. Dazu gehören stabilere Standfüße und eine Aufnahme, die genau zu meiner Frässpindel passt.

Für meine Druckteile wurden ungefähr zwei Kilogramm Filament benötigt. Die Druckdauer lag – abhängig von Drucker, Einstellungen und eventuellen Fehldrucken – bei ein bis zwei Wochen. Zusätzlich werden unter anderem Schrittmotoren, Kugellager, Schrauben, Zahnriemen und exakt zu den gewählten Druckteilen passende Rohre benötigt. Vor dem Druck müssen besonders Rohrdurchmesser, Bauteilversion und Materialliste miteinander abgeglichen werden.

Die Komponenten habe ich bei verschiedenen Händlern gekauft. Lieferumfang und Qualität können deutlich variieren; deshalb prüfe ich Maße und Spezifikationen vor der Montage.

Mein Drucker für dieses Projekt war ein Anycubic i3 Mega S.

Um 3D-Dateien drucken zu können, benötigt man eine Slicer-Software. Sie zerlegt das Modell in die einzelnen Schichten und erzeugt daraus die Druckbefehle. Für dieses Projekt nutzte ich Ultimaker Cura. Drucktemperatur, Schichthöhe, Wandstärke und Füllung müssen zum Material sowie zu den Empfehlungen des Konstrukteurs passen. Gegen sich lösende Bauteile half bei meinem Drucker ein „Brim“. Bevor tragende Teile für die Fräse entstehen, sollte der Drucker zuverlässig kalibriert sein. Maßhaltigkeit und Layerhaftung prüfe ich an Testteilen; dekorative Probedrucke allein sagen noch wenig über die Belastbarkeit eines Maschinenteils aus.

Meine Fräse wurde mit etwa 200 × 100 Zentimetern deutlich größer als eine typische MPCNC. Zusätzliche Stützen reduzieren das Durchhängen der langen Rohre, beseitigen aber nicht den grundsätzlichen Verlust an Steifigkeit. Je größer die Maschine, desto geringer werden mögliche Zustellung, Vorschub und Genauigkeit. Der ursprüngliche MPCNC-Konstrukteur empfiehlt für Abmessungen über ungefähr einen Meter eher eine LowRider-Bauform. Meine große Ausführung nutze ich deshalb vor allem für Holzplatten und grobe Arbeiten mit flachen Zustellungen.

Auch für die Eckstützen habe ich mir eine stabilere Konstruktion auf Thingiverse gesucht. Die zusätzlichen Klammern auf den Stahlrohren sind übrigens für die Endschalter, die hier noch nicht verbaut sind.

Gesteuert wird die Fräse mit einem Arduino-Uno-Mikrocontroller. Ein passendes Gehäuse lässt sich ebenfalls drucken.

Damit der Mikrocontroller die Schrittmotoren ansteuern kann, sitzt auf dem Arduino Uno ein CNC-Shield mit passenden Schrittmotortreibern. Die Motorversorgung erfolgt über ein externes Netzteil, dessen Spannung und Stromstärke zu Shield, Treibern und Motoren passen müssen; zwölf Volt sind nur eine mögliche Auslegung. Vor dem Einschalten kontrolliere ich Einbaurichtung, Jumper, Strombegrenzung und Kühlung der Treiber genau nach deren Dokumentation. Falsch eingesetzte oder eingestellte Treiber können sofort beschädigt werden.

Wie alles angeschlossen wird und welche Jumper gesetzt werden, richtet sich nach der konkreten Hardwareversion. Meine damalige Ausführung orientierte sich an der Anleitung und den Videos von „Uncle Phil“. Vor dem Nachbau sollte man zusätzlich die aktuelle Dokumentation von Board, Treibern und Firmware heranziehen.

Es gibt auch Komplettsets mit CNC-Shield und den dazugehörigen Treibern.

Angetrieben werden die Achsen mit kleinen NEMA 17 Schrittmotoren.

Die Schrittmotoren werden an den gedruckten Achshalterungen befestigt. Die jeweilige Achse wird über Zahnriemen bewegt.

Mit dem CAD-Programm LibreCAD habe ich anschließend den ersten Modulkasten konstruiert.

Die DXF-Datei lade ich anschließend in Estlcam. Nach der Einrichtung der Maschine lassen sich die Fräsbahnen übersichtlich festlegen und direkt für den ersten Probelauf vorbereiten.

Als Frässpindel habe ich die Makita RT0700C gewählt. Diese Einhandfräse ist für Fräser mit sechs und acht Millimetern Schaftdurchmesser ausgelegt. Für kleinere Fräser verwende ich ausschließlich dafür vorgesehene, zur Drehzahl passende Präzisionsspannzangen beziehungsweise freigegebene Reduzierungen. Improvisierte Hülsen können Rundlauf und Haltekraft verschlechtern.

Eine passende Halterung für die Frässpindel fand ich auf Thingiverse. Dort gibt es auch Erweiterungen für Absaugung und weitere Anbauteile. Aufgrund der Größe der Fräse vermeide ich unnötiges Zusatzgewicht an der Z-Achse, um Schwingungen und Verformung nicht weiter zu verstärken. Eine Absaugung bleibt wegen des Holzstaubs dennoch erforderlich; ihr Schlauch wird so geführt, dass er die Achse möglichst wenig belastet.

Aus einem zweipoligen Kabel und einer Aluminiumplatte habe ich mir eine Tastplatte gemacht. Damit kann mit Estlcam per Knopfdruck der Oberflächennullpunkt bestimmt werden. Damit wird der Werkzeugwechsel zum Kinderspiel. Einspannen, messen, weiterfräsen.

Für mich hat es sich als hilfreich erwiesen, am Werkstücknullpunkt eine eindeutige Referenz vorzusehen. Nach Schrittverlusten oder einem Computerabsturz ersetzt sie jedoch nicht das erneute Referenzieren und Vermessen. Bevor ein unterbrochener Lauf fortgesetzt wird, kontrolliere ich Werkzeugnullpunkt, Ausrichtung und Fräsbahn bei ausgeschalteter Spindel.

Die erste Platte ist gefräst. Für eine Fräse aus dem 3D-Drucker ein sehr stattliches Ergebnis, wie ich finde.

Die Teile passen. Bei den Zwischenstreben hatte ich mich in meiner Konstruktion vermessen; Säge und Holzkitt halfen beim ersten Modul weiter. Beim zweiten Modul waren die Maße bereits korrigiert.

Eine CNC-Fräse ist kein unbeaufsichtigter 3D-Drucker. Vor jedem Lauf kontrolliere ich Befestigungen, Kabel, Werkzeug, Spannzange und Werkstück. Ein gut erreichbarer Not-Aus, Schutzbrille, Gehörschutz und eine geeignete Staubabsaugung gehören zur Grundausstattung. Die laufende Maschine bleibt nie unbeaufsichtigt. Nach Änderungen an Mechanik, Steuerung oder Fräsdatei erfolgt der erste Probelauf mit ausgeschalteter Spindel und sicherem Abstand zum Werkstück.

Die selbst gebaute Fräse hat ihre ersten Aufgaben zuverlässig gemeistert. Das Projekt zeigt, wie sich 3D-Druck, bewährte Komponenten und etwas Geduld zu einem nützlichen Werkzeug für den Modellbau verbinden lassen. Mit den Erfahrungen aus den ersten Modulkästen kann die Maschine nun Schritt für Schritt weiter optimiert werden.

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