Bouw van een portaalfreesmachine om staal te frezen

[hfjbuis]

Afgelopen week ben ik dan eindelijk begonnen met dit heel lang op de plank liggend project. Ik bouw een portaalfreesmachine geschikt om staal te frezen. Hij zal voorzien worden van een 3500 RPM spindel met ER16 collet. De afmeting van de freesmachine zijn 520x471mm met een werkbereik van 248x148 mm en een vrije hoogte van 160 mm. Ik wil een "nauwkeurigheid" hebben van 0.02 mm maar ik verwacht niet dat dit haalbaar is.

Als basis heb ik een MPCNC genomen met een bed van 40x40 extrusie profielen die t.z.t. aan elkaar gelijmd zullen worden (net als de machine van Benkr). Het is een "eenvoudig" te maken machine die "gemakkelijk" is af te stellen. Het 80x40 profiel van de brug en twee 80x40 profielen waar de brug aan vast gemaakt wordt moeten zuiver haaks zijn, de rest mag scheef zijn, dat heeft geen invloed. Een groot deel van de onderdelen worden op de 3D printer gemaakt en later met de freesmachine uit aluminium gefreesd.

Alle onderdelen zijn "Chinese van kwaliteit" want het moet een betaalbare hobby machine worden. Ik gebruik standaard HGR20 geleidingen (400 mm Y, X en Z 300 mm) en 1204 mm KO spindels. De spindel motor wordt een 170W BLDC motor die een zelf gemaakte spindel (met hoek contact lagers) gaat aandrijven. De stappenmotoren zijn Nema23 met 1.26 Nm koppel.

De besturing wordt op basis van een MakerBase MKS Tinybee (ESP32) met FluidNC (grbl versie) firmware. Ik ga de stappenmotoren met stepstick drivers sturen. Als dat niet lukt, dan worden het waarschijnlijk DM556 drivers, de besturing heeft daar aansluitingen voor.
Het ontwerp (FreeCad) staat op Git https://github.com/MetalWorkerTools/Por ... ingMachine.

Van de bouw zal ik foto's posten. Mijn keuzes voor de constructie, besturing en andere zaken zal ik gaande weg de bouw in deze post bijwerken.

Freesmachine.jpg

Stappenmotoren positie:
Om de stappenmotoren te beschermen heb ik ze binnen de constructie geplaatst met een langer en bredere freesmachine als gevolg.
Stappenmotor koppeling:
De stappenmotoren zitten met een koppeling zonder overbrenging rechtstreeks aan de kogelomloopspindels. Dit om speling te reduceren met als gevolg dat de freesmachine langer en breder wordt.
Stappenmotor maat:
Ik heb gekozen voor 56 mm Nema23 stappenmotoren. Die hebben voldoende koppel voor de kleine 3500 RPM 175W spindel.
Bed:
Het bed wordt gemaakt uit extrusie profiel 40x40 omdat ik deze onderdelen (13 profielen) één voor één kan zagen en met mijn kleine freesmachine (BF16) kan bewerken.
Brug:
Ik heb gekozen voor een beweegbare brug omdat dan de constructie van het bed kan bijdragen aan de stijfheid van de freesmachine. Ook zijn er minder onderdelen nodig.
Rails en spindels:
Op amazon zijn de kosten zijn HG20 setjes maar een fractie duurder dan HG15 setjes, vandaar de keuze voor HG20 setjes. In deze setjes blijken in de BK10 houder gewone kogellagers te zitten. M.u.v. de Z-as voelden ze spelingsvrij aan. Ik heb ze allemaal vervangen door een matched pair 7000AC (€8,-- JNZ, AlieExpress) lagers. Dat resulteerde in ongeveer 0.01 mm minder backlash.
Bij de spindels zat een "Helical Split" koppeling. Ik heb deze vervangen door een dubbel diafragma koppeling ( €4.50, VEE CNC, AlieExpress) Dit leverde 0.005 mm minder backlash op de Z-as spindel.
Y-as rails:
Rails onder het bed geeft een betere bescherming maar rails boven op het bed is stijver, makkelijker te maken en er zijn minder onderdelen nodig. Daarom heb ik de rails boven op het bed geplaatst. Door deze rails op een 80x40 profiel te monteren is de brug stijver en kunnen de pilaren van de burg korter worden.
Y-as kokerprofiel:
Door boven op de Y-as wagentjes een kokerprofiel te plaatsen, kan de KO spindel voor de Y-as boven de rails gemonteerd worden. Dat maakt het geheel smaller. Tevens kan de BK10 houder een stukje in het kokerprofiel schuiven wat de freesmachine een paar centimeter korter maakt.
Y-as 80x40 opzet profiel:
De X-as kan op het kokerprofiel geschroefd worden met als gevolg een stijve maar starre constructie. Door op het kokerprofiel een stukje 80x40 profiel te plaatsen, kan de X-as hier tussen geschroefd worden. Dat maakt het mogelijk om de hoogte en hoek van de X-as per kant af te stellen.
X-as rails:
Ik heb gekozen om de rails van de X-as boven en onder op de brug te monteren. Daarmee staan ze het verste uit elkaar voor meer stijfheid. De stappenmotor en KO spindel komen aan de achterkant om de brug zo laag mogelijk te houden.
X-as front plaat:
Op de X-as frontplaat komen de wagentjes van de Z-as. Die wagentjes maken de frontplaat stijf zodat die uit 8 mm aluminium gemaakt kan worden.
Z-as montage:
De wagentjes van de Z-as worden op de X-as front plaat geschroefd. Op de Z-as rails komt de plaat voor de montage van de motor. Daarmee zitten de rails en de KO spindel achter de motorplaat ter bescherming tegen de spanen.
Monteren van de Z-as rails op de X-as frontplaat kan ook, maar dat kost meer materiaal om dezelfde stijfheid te krijgen omdat dan zowel de motor plaat als de Xas frontplaat lang moeten zijn.
Z-as support:
Langs de Z-as zit een stukje hoekprofiel ter bescherming tegen de spanen en versteviging van de motorplaat.
Controller:
De controller is een (ESP32) TinyBee, FluidNC als firmware en TMS2209 stepstick drivers. Het bord is bedoeld voor een 3D printer maar met z'n 5 assen prima geschikt voor het besturen van een kleine CNC machine. De drivers draaien op halve kracht (1A) maar zijn toch nog sterk genoeg om een M5 boutje om te duwen. Door de WiFi en Bluetooth kan ik hem net als bij mijn draaibanken, draadloos besturen. Door de stepstick drivers is de bedrading een stuk minder werk en eenvoudiger. De meeste aansluitingen zitten op gekleurde JST-XH connectoren wat verkeerd aansluiten voorkomt.
Homen:
Op elke as zit één home sensor die tevens dienst doet als limit switch. De soft limits voorkomen bewegingen buiten het bereik. De Y-as wordt gestuurd met 2 motoren. Elke Y-as heeft zijn eigen home sensor wat automatisch rechtzetten van de brug mogelijk maakt. De homesensoren zijn van het NO type, NJK-5001C (Y en X) en TL-W5MC1 (Z).
Spindel motor:
Als spindel motor heb ik gekozen voor een brushless DC motor van 172W, 3500 RPM (DBLS-01S) van stepper online. Omdat deze momenteel niet vanuit Europa leverbaar is, zet ik er tijdelijk een ACT 57BLF03 bldc motor op van 188W 3000RPM. Die is wat zwaarder, duurder en ook moeilijk verkrijgbaar. Ik heb hem via AMAZON.DE besteld maar Reichelt heeft hem momenteel ook op voorraad.
Spindel motor driver:
De BLDC motor wordt bestuurd door een DBLS-01S (BLD-510S nieuwe naam) driver van stepper online. Deze kan ook zonder hall sensor werken en dan kan de kabel een stuk dunner worden. Dat geeft ruimte om de kabelrupsen binnen het chassis te houden waardoor het compacter wordt en er minder kans is op beschadiging/vastlopen van de kabelrups.
PWM to DC converter:
De DBLS-01S driver kan rechtstreeks met PWM signalen gestuurd worden. Een PWM to DC converter is dan ook niet nodig.
Kabelrupsen:
Voor de Y-as ga ik een 15x15 (binnen diameter) open kabelrups gebruiken met een buigradius van 28 mm. Voor de X en Z as wordt het een 10 x 15 mm open kabelrups.

[hfjbuis]

Tijd 2 uur, Totaal 2 uur
Om te beginnen heb ik een aanslag voor de machineklem gemaakt. Dat maakt het positioneren van de onderdelen een stuk sneller. Ter ondersteuning van de profielen heb ik een houten blokje gedraaid dat maakt het recht inklemmen eenvoudiger.

S7300772.JPG

Als laatste onderdeel heb ik een 300 mm as gedraaid. Deze gebruik ik als offset om profielen langer dan 300 mm te meten met de schuifmaat.

S7300773.JPG

[hfjbuis]

Tijd 2 uur, Totaal 4 uur.
De profielen heb ik overmaats gezaagd met de bandzaag. Omdat het gebruikte profielen zijn heb ik hier en daar de goede stukken er tussen uit moeten zagen.
Tijd 2 uur, Totaal 6 uur.
De profielen heb ik op de freesmachine haaks en op lengte gefreesd. Mijn grootste frees (20 mm) is net niet lang genoeg om de profielen in één keer haaks te frezen. Ik moet nog 2 profielen (80mm stalen kokerprofiel) maken, ik had 70 mm gehaald.
Tijd 2 uur, Totaal 8 uur.
De gaten heb ik op de freesmachine geboord en de M5 schroefdraad met de freesmachine getapt met een spiraal tap. In de 2e versnelling heeft de freesmachine (BF16) voldoende koppel om dit te doen. De M8 schroefdraad voor de kopse kant van de profielen heb ik met de accuboormachine en een combi tap gedaan.

S7300767.JPG

[hfjbuis]

Tijd 2 uur, Totaal 10 uur.
Het bed en de Y-as heb ik vast geschroefd. Al met al voelt het stabiel aan en is het door het gewicht (16 kg) en het formaat al lastig te hanteren. De kleine draaibank moet echt weg (van de werkbank).

S7300771.JPG

[andrefc101]

En wat is nu precies de bedoeling met die uren?
Komt er straks een prijskaartje uit of zoiets

[hugo stoutjesdijk]

En wat is nu precies de bedoeling met die uren?
Komt er straks een prijskaartje uit of zoiets

Sluitende uren administratie is noodzakelijk voor de bijtelling, moet jij toch weten Andre.

[Kars-cnc]

Interessant project! Je gaat wel hard zeg; zondag de eerste post met het plan en nu al een bed met opstaande randen en rails erop (nog niet definitief neem ik aan).

Ik ben erg benieuwd hoe goed je staal kunt frezen hiermee. Op zich lijkt het mij een stijf design, maar je hebt niet zoveel massa. Met de (relatief} lage toerentallen die je van plan bent krijg je gemakkelijk resonanties in een stijf maar licht frame. Ik heb daar zelf ook wel last van. Ik wil daarom altijd nog eens wat zandzakken in mijn holle brug constructie stoppen

[hfjbuis]

En wat is nu precies de bedoeling met die uren?

Ik wil weten hoeven uren het kost en daarom houd ik ze bij. Ik werk in blokken van 2 uur en dat maakt het gemakkelijk.

Interessant project! Je gaat wel hard zeg; zondag de eerste post met het plan en nu al een bed met opstaande randen en rails erop (nog niet definitief neem ik aan).

Het is een "gemakkelijk" met weinig middelen te bouwen machine en dat gaat best snel. Het ontwerp is definitief maar het bed moet verlijmd worden voor meer stevigheid en moet dus uitelkaar. Dat is een project voor de winter zodat de 2 componenten epoxy niet te snel zal harden.
De electronica en de bekabeling zullen minstens zo veel tijd kosten als het bouwen.

Ik ben erg benieuwd hoe goed je staal kunt frezen hiermee. Op zich lijkt het mij een stijf design, maar je hebt niet zoveel massa.

Voor het frezen van staal plaats ik er de grote machineklem op. Daarmee wordt het niet bewegende deel een stuk zwaarder. Ook komt de spindel dan hoger en is daarmee stijver. Frezen van staal met een max 6 mm freesje is niet het probleem (denk ik). Dat extrusie profiel is echt een wokkel. Strakke toleranties verwacht ik dan ook niet te halen. Dat is dan weer een reden om een gewone (VMC) om te bouwen naar CNC.
Het is maar een kleine machine en dat komt de stijfheid ten goede. Zwakke punt is de Z-as, daar moeten nog 2 ribben op ter versteviging> Ook dan verwacht ik veel flex als de spindel helemaal beneden staat. Voor het frezen van wat frontplaten en PCB's zal het toereikend zijn.

[hfjbuis]

Tijd 2:00, totaal 12:00
De 2 stalen 70 mm kokerprofielen voor de brug gefreesd en de gaten geboord.

Tijd 1:00, totaal 13:00
De houders voor de stappenmotor, BK10, BF10 en de KO moer geprint. Dat gaat langzaam maar gelukkig hoef ik daar niet bij te staan.
Nadat het rode PLA op was, ben ik op rood PETG overgestapt. Volgens Google, zou dat volgens de meeste sites, voor de stijfheid niets uitmaken. Toch is mijn PLA filament veel stijver dan mijn PETG filament. Na aanpassing van het ontwerp, de perimeters (3 ==> 6) en de vulling (adaptief cubisch ==> gyroïde) was het resultaat acceptabel. Ik heb nu de rechterkant met rood PETG geprint en doe alle andere onderdelen met zwart PLA.

Tijd 2:00, totaal 15:00
De brug en 1 spindel met stappenmotor is geplaatst. De brug en 1 spindel zijn uitgelijnd. De andere spindel moet nog, maar die moet ik nog bestellen.

Het geheel voelt nog steeds solide aan. De wagentjes en spindelmoer hebben blijkbaar een preload.

S7300774.JPG

[Kars-cnc]

Wat een strakke bloktijden! Bij mij rommelt het altijd maar wat aan... Vaak wil ik het eigenlijk ook niet weten hoeveel tijd ik aan een project besteed heb . Mijn portaalfrees van staal heeft uiteindelijk meer dan 1000 uur gekost vrees ik. Wat voor nuttigs had ik wel niet kunnen doen in al die tijd

Die 70mm koker profielen zou ik zelf nog wat geschoord willen hebben tegen zijdelingse krachten. Het is verbazend hoeveel zoiets nog schrankt ondanks de stevige uitstraling... Maar goed, het beste meet je het eerste even, misschien speelt het in jou situatie minder.

[hfjbuis]

Wat een strakke bloktijden!

2 uur is wel de max dat ik aan de machine kan staan. E.e.a. is ook een schatting. De tijd om het ontwerp te maken, aan te passen en het maken van de niet goede onderdelen, zit daar ook niet in. Dat kost alles bij elkaar veel meer dan het bouwen.

Die 70mm koker profielen zou ik zelf nog wat geschoord willen hebben tegen zijdelingse krachten.

De steppers zijn maar 1.26 Nm en die kunnen met de 4 mm spoed spindels niet zoveel kracht opwekken. Daarnaast worden de krachten door beide kokerprofielen opgevangen en moet je ook de schoren ergens aan vast kunnen maken.
Ik heb meer problemen met het niet vlak zijn van de "naadloos gelaste kokers". Mocht er te veel beweging in zitten, dan maak ik straks met de CNC een stevigere constructie worden.

Maar goed, het beste meet je het eerste even

Als het ding straks klaar is, wil ik de elastiek op een paar punten meten, statisch en gedurende het frezen. Dan kan ik ook zien of de straks gefreesde aluminium onderdelen het beter doen dan de geprinte onderdelen.

[hfjbuis]

Tijd 2:00, totaal 14:00
De 2e spindel van de Y-as is geplaatst en uitgelijnd. Ik heb de profielen van deze as toch met PETG geprint bij gebrek aan PLA. Ik heb de constructie wat verstevigd met 2 support plaatjes. Nu voelt het steviger aan dan de andere kant van PLA.
Tijd 2:00, totaal 16:00
De X-as is geplaatst en uitgelijnd. Een van de wagentjes liep stroef en daarom maar uitelkaar gehaald. Alle kogels hadden dezelfde maat. Aan één kant zat er een kogel teveel in. Na montage liep e.e.a. mooi soepel.
De wagentjes met een CA extensie (HG20-CA) hebben geen voorspanning (Common Accuracy).

Helemaal vlekkeloos is de bouw tot nu toe niet verlopen. Een koppeling past niet (te klein) en een spindelmoerhouder (leverancier GooEquip) is verkeerd gefreesd en daar door passen de bouten niet. Deze zal deze aanpassen. Ook is een spindel moer zonder vet nippel geleverd (leverancier GooEquip). Daarnaast is één spindel borgmoer een maat te groot en heeft één BK10 houder speling op het lager. Ik weet niet wie de leverancier van de BK10 is omdat ik één spindel set bij CNCMANS heb besteld (goedkoper).

Nu het grootste deel is gemonteerd vind ik de stijfheid en het ontbreken van (voelbare) speling indrukwekkend, veel beter dan verwacht. Volgende week is de Z-as aan de beurt.

S7300777.JPG

[pgroot]

dat begint toch al mooi vorm te krijgen. Waar ik wel even benieuwd naar ben is hoe je het bed schoon gaat houden/maken.
Bij het frezen van staal met koeling/snijvloeistof kan dit nog wel een issue worden met spaanophoping in de gleuven van het profiel.

[hfjbuis]

In mijn hok kan ik geen koeling gebruiken. Alles wordt droog gefreesd en gedraaid. Een straaltje perslucht kan als de omkasting klaar is. Schoonmaken gaat met de stofzuiger. Voor hout en PCB's zal ik een afzuiging maken, dat beperkt de stof een beetje.

Ik ben er inmiddels achter dat het BK10 blok met speling, voorzien is van gewone kogellagers. Dat moet worden aangepast.
Op de andere 3 blokken meet ik 0.01 mm speling als ik flink aan spindel duw of trek. Die blokken zal ik ook controleren. Misschien is het probleem blok geleverd door (de goedkopere) CNCMANS en zijn de andere drie blokken wel goed.

De niet passende as koppeling heb ik op 8 mm geruimd en die past nu.