"Alles hat seine Zeit."

Die CNC- Fräse für Holzarbeiten
Während den Wintermonaten konnte ich immer wieder Stundenweise an meiner Eigenbau- CNC- Fräse bauen. Die Fräse war für Holzarbeiten gedacht und hat eine Arbeitsfläche von 1000mm x 600mm. Im Vergleich zu den sonst im Handel erhältlichen CNC- Fräsen habe ich die Linearwelle und Linearlager noch oben gelegt um ein niedriges Portal zu erhalten. Durch den verkürzten Hebelarm des Portals soll die Fräse Schwingungsarm und genauer werden.

Die Arbeitsplatte besteht aus einer Siebdruckplatte und ist auf den Alu-Profilrahmen der CNC- Fräse geschraubt. Von der Rückseite sind Durchschlagmuttern eingeschlagen, so dass man Bretter oder andere Spannmitteln befestigen kann.
(Dies ist schon die zweite Arbeitsplatte. Die erste verrechne ich als Kosten zum erlernen von G-Code. )

Um die Genauigkeit der Fräse beurteilen zu können wollte ich nun kleinste Schrift in eine Messingplatte gravieren.

Das Erzeugen der Schrift als Fräsdaten
Viele kostenlose CAD- Programme wie FreeCAD haben bei Schriftgravur noch ihre Defizite.
Ein Open Source Programm, das CNC- Fräsdaten für Schrift und Bilder erstellt ist F-Engrave.
F-Engrave kann man hier herunterladen: https://www.scorchworks.com/Fengrave/fengrave.html
F-Engrave läßt zwei Bearbeitungsverfahren zu: Engrave und V-Carve. Beide verwenden V-förmige Gravierstichel.
Für meine erste Versuche verwende ich ein Gravierstichel aus Hartmetal mit einer 45° Spitze und einem Durchmesser von 3,1mm.


Engrave erlaubt es Schrift oder Konturen mit konstanter Frästiefe zu fräsen. Der Fräser folgt somit einer Kurve.
Bei V-Carve kann man Schrift oder Bilder mit nicht konstanter Strichstärken vorgeben. Bei V-Carve taucht der Fräser so tief ein, wie die gewünschte Strichstärke. F-Engrave kann TrueTypeFonts .ttf (unterschiedliche Schriftstärken) und .cxf Fonts (Linienschrift) verarbeiten. Mit F-Engrave werden aber wenige Schriftarten mitgeliefert. Google bietet aber eine ganze Bibliothek an freien Schriften an (ca. 300) . https://fonts.google.com/
Herunterladen kann man sich diese Fonts hier: https://github.com/google/fonts
Eine Quickreferenz/Übersicht über diese vielen Schriftarten findet man hier: https://www.labnol.org/internet/google-fonts-posters/25162/

Für die ersten Versuche wählte ich einmal die Linienschrift Standard.cxf mit einer Schrifthöhe von 2mm und als zweiten Versuch die Formschrift MonsieurLaDoulaise-Regular.ttf (4mm), die eine starke Ähnlichkeit mit den Schriften auf alten englischen Taschenuhren hat.

F-Engrave kann nun diese Text- und Schriftvorgaben als Steuerbefehle für die CNC- Fräse (G-Code) in eine Textdatei schreiben. Dieser G-Code besteht zu 99% nur aus dem Befehl G01 oder G1 mit dem Koordinatenwert der als nächstes anzusteuern ist. Der G-Code für die Linienschrift besteht aus nur 450 Koordinatenbefehle und man kann im Text gut die konstante z-Tiefe erkennen.

Bei der englischen Handschrift mit variabler Schriftbreite sieht man hingegen eine sich dauern ändernde z- Tiefe. Die Handschrift ist aufwändig zu beschreiben und die Datei besteht aus fast 50000 Koordinatenbefehle.


Fräsen auf CNC- Fräse
Zum Fräsen auf der CNC- Fräse schliesst man die Fräse mit dem USB- Kabel am Laptop/Rechner an. Damit nun die Steuerbefehle aus der G-Code- Datei auf die CNC- Fräse kommen, benötigt man ein Programm, das den Text auf die serielle Schnittstelle des USB kopiert. Hierzu existieren unendlich viele Open Source Programme (github-Server von MicroSoft). Aus dieser riesigen Auswahl verwende ich allgemein zwei Programme: GRBL- Controller 3.6.1 oder bCNC. Diese Programme kann man zum Download unter diesen Links finden:
https://grbl-controller.software.informer.com/Sicherer-download/
https://github.com/vlachoudis/bCNC
Bei diesem Beispiel verwende ich GRBL- Controller 3.6.1. Während dem Fräsen bekomme ich dargestellt, was gerade schon gefräst ist.
















Beim ersten Text war eine Option in F-engrave nicht korrekt eingestellt und die CNC versetzte Buchstaben: 4mm Schrifthöhe



Die Messingplatte wurde nochmals zum Entgraden auf 1000 Schleifpapier abgezogen. 2mm Höhe !

Das Einspannen der Messingplatte war nicht eben. Die Handschrift wurde nach rechts immer schwächer (z- Tiefe). Um den Prozess zu verbessern müsste ich eine verstellbare Aufspannung (ähnlich wie beim 3D- Drucker) anfertigen und vor dem Fräsen ausmessen. Mit der Fräsqualität bin ich selbst sehr zufrieden und werde hier bestimmt noch das eine oder andere weiterentwickeln.
Soweit mein Lernprozess, vielleicht kann jemand damit etwas anfangen.

Ich wünsche allen eine Virenfreie Zeit!

Michael

Hallo Michael,

das ist ein interessantes Projekt. Deine Fräsmaschine sieht solide aus.

Als ich vor einigen Jahren niemand fand, der das Zifferblatt für meine Eigenbauuhr wegen seiner Größe (d 205 mm) fräsen konnte, hatte ich mich auch schon mit dem Gedanken befasst, eine CNC-Fräse selbst zu bauen. Dass allein wäre jedoch schon ein großes Projekt und hätte mich zu viel Zeit (und einiges an weiterem Geld) gekostet.

Ich wünsche Dir gutes Gelingen bei der Optimierung Deiner Maschine.

LG
Roland

Hallo Michael,
Nicht mein Ding,aber Klasse.

Lernen aus dem ersten Versuch
Heute hatte ich durch den Corona- Urlaub Zeit mich nochmals mit den Gravierergebnissen zu beschäftigen und einmal noch eine 1mm hohe Schrift auszuprobieren.
Der Schriftzug mit 2mm Höhe zeigt am Rand einen leichten Grad. Vermutlich war dieses Messing- Reststück doch kein festeres Messing. Die Buchstaben gehen leicht ineinander. Dies läßt sich durch den Parameter "Char Spacing" in F-engrave korrigieren. Durch eine leicht veringerte Graviertiefe dürfte die Schrift besser wirken.


Die gravierte Handschrift war wahre 3mm groß. Die Gravur erscheint gleichmäßig, aber ich vermute mit etwas weniger Graviertiefe (0.05?) würde es besser wirken. Heute neu graviert sieht man auf dem gleichen Bild eine 1mm Gravur. Diese riesige CNC- Maschine läuft auch bei solche kleinen Details relativ sauber. Die Messingplatte mit dieser neuen 1mm Gravur ist nicht mit Sandpapier abgezogen. Ich wollte sehen, ob Späne am Grad hochstehen. Die Gravurtiefe habe ich durch Heranfahren des Gravierstichels auf die Platte mit Lupe eingestellt. Besser bekomme ich dies mit Lupe nicht hin.


Die Messingplatte lag ja zum Gravieren nicht exakt auf. Zusätzlich war dieses Messingstück am Rand leicht gebogen. Zuerst dacht ich, die nicht netzparalleleLage des Werkstücks müßte man mit einer Vorrichtung ausrichten. Diese Arbeit spar ich mir.
bCNC bietet unter Probe ein Autoleveling mit Korrektur der CNC- Bezugsebene an. Man legt in bCNC ein Punktenetz über das Bauteil und bCNC steuert einen Messvorgang der CNC-Fräse über dieses Punktenetz an.
Damit dies bei meiner Fräse auch funktioniert, muss ich noch ein Messkabel anschliessen.
Die dazu benötigten Steckverbindungen und Klemmen muss ich mir zuerst noch bestellen. Gemessen wird durch Stromschluss beim langsamen Anfahren der Gravierstichelspitze auf das Metallwerkstück. Soweit aber nur Theorie.

Spannender Bericht, Michael ! Den werde ich sicher verfolgen

Kalibrieren des Gravierstichelabstands und Optimierung Schnitttiefe
Mit diesen Klemmen, Stecker und einem 1,5m langem Kabel ging es nun weiter. Das Zusammenlöten ging schnell, die Inbetriebnahme dauerte zwei Tage, bis ich endlich feststellte dass zwei Kabeln am Mikrocontroller falsch angeschlossen waren.

Mit der Funktion Probe in bCNC positioniert man nun den Gravierstichel über die Stelle, an der man die Höhe des Bauteiles (Messingplatte) messen möchte.

Die CNC- Fräse fährt anschliessend langsam die Gravierstichel auf die Messingplatte herunter. Das Messkabel wird zuvor über zwei Krokodilklemmen an der Gravierstichel und am metallenem Werkstück befestigt. Sobald elektrischer Kontakt entsteht bleibt die Maschine stehen und man hat die z-Koordinate als Referenz. Dieses sogenannte Probing geht deutlich schneller als mit Lupe und manuellem Vorschub. Von der Autoprobing- Funktion in bCNC hatte ich falsche Vorstellungen. Autoprobing misst an verschiedenen Positionen auf dem Werkstück, aber liefert nur einen gemittelten Wert zurück. Uneben aufgespannte Werkstücke erkennt man zwar durch die einzelnen Messkoordinaten, man muss aber selbst den Ausgleich schaffen oder einfach den gemittelten Wert verwenden.

Den gleichen Schriftzug mit der Texthöhe 1mm habe ich nun mit dem Neuen Hilfsmittel Probing neu ausgegeben. Oben mit einer Graviertiefe von 0,07mm, unten mit einer Graviertiefe von 0,06mm.

Der nächste Versuch zeigt den Text mit 0,07mm Höhe und einer Schnitttiefe von 0,04mm. Hier hätte ich nochmals 0,01mm weniger tief gravieren sollen.

Die Gravierstichel scheint bisher nur einen minimalen Verschleiss (Bruch der Spitze) zu haben. Durchmesser 3,1mm

Das "Probing" mit Kabel und Krokodilklemmen funktioniert nur bei Metall. Möchte man bei Holzarbeiten die Fräserposition zur Auflage der Arbeitsplatte kalibrieren, kann man folgenden Ersatz verwenden (Höhe 20mm):

Etwas Unsicherheit existiert bei mir immer noch, welche Schnitttiefe angemessen ist. Mit jedem Versuch lerne ich etwas dazu, habe aber schon wieder neue Fragen und Ideen.

Perlieren auf der CNC- Fräse
Beim Herumstöbern im Internet nach CNC- Tools viel mir ein Programm zum Erzeugen von Bohrungen auf.
https://github.com/LinuxCNC/simple-gcode-generators/tree/master/grill
Man gibt eine äußere Kontur wir ein Rechteck oder Kreis auf dem Bauteil vor und kann Reihen mit zu bohrenden Löchern darüber legen. Der Lochabstand ist in x und y vorgebbar. Meine Idee war es nun, ob man mit größeren sich überlappenden Bohrungen mit einer Bohrtiefe von 0,01mm bis 0,04mm eine Perlierung erzeugen kann.

Beim Visualisieren der Fräsdaten in bCNC erkennt man nur die Verfahrwege zum "Bohren".

Da meine Ungedult riesig war und ich somit auf vorhandenes Werkzeug zugreifen mußte, verwendete ich ein Schleifstift aus Siliziumcarbit mit einem Kopfdurchmesser von 2mm. Das Werkzeug ist völlig unbrauchbar um professionell Perlierungen zu erzeugen. Hier habe ich immer die Arbeit von Philipp bewundert. Welches Werkzeug man zum Perlieren verwendet (Stift mit Gummi-Einsatz?) und welche Schleifmittel muss ich nochmals bei seinen Threads nachlesen. Aber .... es funktioniert auf der CNC prinzipiell. Nach ca. einer Minute ist eine Perlierung mit der Größe 15mm x 15mm mit exakt immer gleicher "Schnitttiefe" erstellt.

Auf den ersten Blick sehen die Reflektionen im Sonnenlicht schön aus. Was aber auch daran liegen kann, dass ich nah ohne Lesebrille oder Lupe nicht mehr scharf sehe.

Eine Nahaufnahme der "Perlierung" zeigt die ungleichmäßige Kornstruktur des Schleifstiftes.


Für den Bau der CNC- Fräse mit Optimierung hatte ich viel Zeit benötigt und es hat mir auch recht viel Spass bereitet. Beim Ausprobieren aller Möglichkeiten fehlt mir, obwohl ich gerne sorgfälltig arbeite, im Moment einfach die Gedult. Es geben einfach zuviele neue Dinge zum Erkunden.

Schaut euch mal die Beschreibung dieser Software an. Man überlagert ein Bild mit einer Guilloche und fräst dieses Muster.
https://github.com/maxim-s-barabash/ZebraTrace

Den Thread von Dirk über das Gravieren von Ziffernblättern muss ich mir auch nochmals durchlesen.

Grüße aus dem Schwarzwald

Michael

Hallo Michael,

ich finde es wirklich Toll, das du deine Arbeit hier darstellst. Beim gravieren sollte die Gravieroberfläche natürlich sehr Eben sein. Mit einem Gravierstichel D0.1 x 60°, bei einer Schrifthöhe von 1.8-2.5MM kannst du die Tiefe auf 0.1MM zustellen. Mehr würde ich da auch nicht machen.

Beim perlieren würde ich eher einen Brosiergummi verwenden, statt ein Schleifstein. Damit du auch beim programmieren es einfacher hast, könntest du in deiner Steuerung mit G52 arbeiten und dein Punkt immer verschieben oder auch mit G68 den Punkt rotieren. Somit erfährst du auch, ab welcher Position du die Zustellung (wegen der Abnutzung) erhöhen musst, wenn du keine Gefederte Spindel hast.

Ich finde es wirklich toll was du da machst. Ich weiß auch wie schwer es ist, mit solchen Fräsen zu arbeiten. Bisschen mehr Erfahrung dann wirst du den Dreh auch rausfinden.

Lg Can

Hallo Can,

vielen Dank für die Tips. Ich werde diese ausprobieren. Die Brosiergummi (Pinpolierer) und den zugehörigen Halter werde ich mir zulegen. Wie lange hält ein Brosiergummi? Benötigt man einen Vorrat oder reichen 3-4?

LG

Michael

Hallo Michael,

Kommt immer drauf an wie viel du perlieren möchtest natürlich. So ein Pin hält locker für 200 Edelstahl Böden (Innenseite vollperliert). Wichtig ist auch, das du nach jedem Werkstück den Pin mit einem Tuch "abziehst" , damit die Fremdpartikel sich nicht festigen. Wenn du merkst, die Ecken sind nicht mehr schön rund, kannst du den Brosiergummi auf der Drehbank vorsichtig scharf abdrehen.

Lg Can

V-Carving von Bilder: Ornamente gravieren

Noch ein Verfahren musste ich heute noch ausprobieren: Das Gravieren von Ornamente.
F-Engrave verwendet nicht nur das V-Carving- Verfahren (siehe oben im Text) für Schrift mit unterschiedlicher Schriftbreite, sondern auch für Bilder. Lädt man ein Bild an, rechnet F-Engrave die Konturen heraus und berechnet wie Tief der Gravierstichel eintauchen muss für die unterschiedlichen Breiten der Ornamentdetails. Die Höhe des Ornaments habe ich einmal mit 5mm und 8mm vorgegeben. Gefräst wurde mit einer Höhe von 8mm.



Das Ergebnis sind Fräskurven (weisse Kurven im schwarzen Feld) mit unterschiedlicher Graviertiefe. Diese Daten werden wieder als G-Code in eine Datei geschrieben und mit der Steuersoftware bCNC eingelesen.Schaut man sich die Daten im Editor an, so sind es wieder um die 51000 Koordinatenbefehle. Die Dateigröße ist mit 51kByte recht klein.



Nach Kalibrieren des Gravierstichelabstandes wird der Fräsvorgang gestartet. In bCNC kann man den Fortschritt mitverfolgen. Der gesamte Fräsprozess dauert 6 Minuten und 16 Sekunden bei einem eingestellten Vorschub von 50mm/min.





Und hier nun das Ergebnis auf dem altbekannten Testträger:



Auf der Nahaufnahme kann man etwas besser die Qualität erkennen. Am Rand steht wieder ein kleiner Grad hoch. Beim nächsten Mal werde ich den Referenzpunkt um ein oder zwei Hundertstel über den Kalibrierpunkt setzen. Ich vermute mit etwas weniger Graviertiefe würde es besser aussehen.

Zitat von Can Bayraktar im Beitrag #11

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Hallo Michael,

Kommt immer drauf an wie viel du perlieren möchtest natürlich. So ein Pin hält locker für 200 Edelstahl Böden (Innenseite vollperliert). Wichtig ist auch, das du nach jedem Werkstück den Pin mit einem Tuch "abziehst" , damit die Fremdpartikel sich nicht festigen. Wenn du merkst, die Ecken sind nicht mehr schön rund, kannst du den Brosiergummi auf der Drehbank vorsichtig scharf abdrehen.

Lg Can

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Ausschalten des Fettdruckes
Sowohl die 0,7mm hohe Schrift wie auch das Ornament erschien mir immer etwas zu breit, zu dick. In den vorhergehenden Beispielen hatte ich ja schon die Strichstärke reduziert auf 0,06mm und es sah schon besser aus. Warum? Zuerst hatte ich das Probing in Verdacht, dass die Gravierspitze beim Messen vielleicht mehrere Hunderstel in das Metall fährt. Aber beim Kontrollieren mit der Lupe sah das Messen gut aus. Nun musste ich doch nochmals nachschauen, wie Breit der Gravierstichel damals auf der Beschreibung der Kaufseite angegeben war: 0,1mm. F-engrave rechnet immer mit exakter Spitze. Das war es also. Die nachfolgende Messreihe zeigt ganz links noch die alte Gravur und danach die neuen jeweils mit 0,04mm, 0,06mm und 0,08mm Reduzierung der Tiefe. Die rechte Gravur hat nun die Leichtigkeit im Aussehen, die ich mir vorgestellt hatte. Auch bei der Schrift, werden jetzt die 0,7mm hohen Buchstaben sauber und leicht dargestellt.

Hallo Michael, die Ergennisse werden wirklich immer besser. Tolle Sache.

Liebe Grüße
Can