Niederhalter für CNC-Portalfräse

Wer eine CNC-Maschine sein Eigen nennt, der kennt das Problem. Das Werkstück muss zuverlässig gespannt werden, sonst kann es sich bei der Bearbeitung verschieben, ganz lösen oder sogar um die Ohren fliegen. Hier möchte ich zwei Varianten von Niederhaltern vorstellen, die man einfach selbst bauen kann und die auch kostengünstig sind

Seit ungefähr Herbst 2020 habe ich nun eine CNC-Portalfräse in Betrieb. Die Fräse besteht aus einem Workbee Alu-Rahmen (WorkBee CNC Router Machine Full Kit – Bulk-Man 3D (bulkman3d.com)), einem Unterbau aus MDF und einer LinuxCNC-Steuerung. Zum Aufbau der ganzen Anlage liefere ich dann bei Gelegenheit einen anderen Blog-Beitrag. Heute soll es vielmehr um die Spannvorrichtung für Werkstücke gehen. Um den Sinn und den Einsatz dieser Teile besser erklären zu können, hier ein Bild der Fräse mit dem Unterbau

Die Portalfräse bzw. deren Rahmen, hat eine Abmessung von rund 1500x1500mm. Das führt zu einem Fräsbereich von etwa 1200x1200mm. Im Rahmen selbst sind zwei Grundplatten eingelegt und es wurde ein Lochraster mit 20mm-Löchern in einem Raster von 100mm eingefräst. Ich habe mich nach langem hin und her zu dieser Variante entschieden und bin sehr zufrieden damit. So ein Lochraster ist eine praktische Sache, führt aber auch dazu, dass das Spannen von Teilen in der horizontalen Richtung recht einfach und in der vertikalen Richtung etwas schwieriger wird. Klar, es gibt da durchaus Lösungen wie “Bankhaken” oder Schraubzwingen mit Zylindern usw. Eine Alternative wäre auch das Einlassen von Einschraubmuttern in der Grundplatte, was wiederum recht aufwendig ist. Für die ersten Versuche mit der Fräse habe ich mir ein paar Spanner für die horizontale Anwendung gebaut und die haben auch recht gut funktioniert bzw. sind nach wie vor gelegentlich in Betrieb

Der abgebildete Horizontal-Spanner hat schon einiges abgekriegt, funktioniert aber tiptop und ist schnell gebaut bzw. auch schnell montiert. Die Funktionsweise ist simpel. Der Spanner wird in den Tisch eingesetzt (Holzzapfen nach unten) und mittels den Muttern zwischen den Holzleisten werden diese auseinandergeschoben und somit das Werkstück gespannt. Es versteht sich von selbst, dass auf der Gegenseite des Werkstücks auch ein Anschlag vorhanden sein muss, der den Druck wiederum aufnimmt. Ich habe dafür extra Stahlbolzen gekauft. Auch diese Anschaffung hat sich durchaus gelohnt

Unterdessen habe ich mir vier Stück Schnellspanner bestellt und deshalb sind die Eigenbau-Spanner nicht mehr ganz so oft in Betrieb

Die funktionieren grundsätzlich sehr gut, kosten aber doch etwa 70 CHF (4 Stk).

Mit diesen Teilen lässt sich ein Werkstück horizontal soweit gut spannen. Problematisch wird es dann aber beim Spannen von Werkstücken in der vertikalen Richtung. Ursprünglich habe ich für meinen Frästisch ein paar der folgenden Sorte beschafft:

Leider sind diese Teile so nicht zu gebrauchen. Ich komme an meinen Frästisch nur von oben ran und das bedeutet, ich kann den Zylinder an der Unterseite des Spanners nicht von unten als “Kontermutter” verwenden. Stecke ich den Spanner einfach so in eines der 20mm-Löcher, dann wird der logischerweise wieder herausgezogen. Genau für die Behebung dieses Problems habe ich dann zwei neue Spanner entwickelt und gebaut. Wobei das Wort “entwickelt” in diesem Fall nicht auf Raketenwissenschaft hindeuten soll.

Auf dem Bild sieht man drei Niederhalter bzw. zwei unterschiedliche Ansätze. Der Typ links und der Typ in der Mitte ist nichts anderes als das was ein konventioneller Dübel auch macht. Auf einer Gewindestange sind zwei schräg angeschnittene Holzzylinder montiert, die mittels Muttern gegeneinander gekontert werden können

Der Trick dabei ist also ganz simpel. Der untere Zylinder hat eine normale Bohrung von 8mm Durchmesser und der obere Zylinder ein ovales durchgehendes Loch das es erlaubt, den Zylinder seitlich zu verschieben. Werden die Muttern oben und unten gegeneinander gedreht, dann schieben sich die beiden Holzzylinder an der schrägen Seite gegeneinander bzw. voneinander weg. Der Winkel beträgt dabei etwa 50 Grad.

So sieht das dann montiert aus:

Auf dem Foto sieht man noch, dass ich auf der Oberseite einen Schlitz in die Gewindestange gesägt habe. Dieser Schlitz dient dazu, mit dem Schraubenzieher ein Mitdrehen der Gewindestange beim Kontern der Mutter zu verhindern. Man steckt also den Spanndübel ins Loch, hält mit dem Schraubenzieher die Gewindestange in Position und zieht die Kontermutter fest. Der Dübel spreizt sich und bleibt somit an Ort und Stelle. Nun kann man am Rest der Gewindestange den eigentlichen Spanner befestigen.

An dieser Stelle muss ich aber auch erwähnen, dass der abgebildete Spanner noch nicht zu 100% perfekt ist und ich deshalb noch einen zweiten Spanner entwickelt habe. Der Grund dafür lässt sich am besten mit Hilfe der nächsten Abbildung erklären

Auf dem Bild ist eine Variante der Spannvorrichtung zu erkennen. In zwei Löcher wird jeweils ein Dübel eingesetzt und ein Bügel aus Eisen mit eingefrästen Schlitzen gelegt. Mittels der Flügelmutter kann der Bügel nun nach unten gezogen und somit das Werkstück fixiert werden. Zumindest wäre das die Idee. Nun ist es aber auch so, dass mein Dübel sehr fest gekontert werden muss, so dass die Kraft, mit welcher ich das Werkstück nach unten ziehen möchte, nicht den Dübel aus dem Loch ziehen kann. Aber genau das passiert leider. Ich kann den Dübel nicht übermässig kontern, da sonst die 20mm-Löcher oder der Dübel selbst Schaden nehmen könnte. Es muss also ein gesundes Kräfteverhältnis eingehalten werden. Fazit: Man kann mit dieser Vorrichtung zwar Dinge spannen, aber eventuell nicht fest genug. Es ist mir dabei bewusst, das sich die Oberfläche des Dübels noch rauer oder die die Haftung verstärken könnte (z.B. Gummi), damit die Reibung grösser wird. Das wird dann sicher auch irgendwann einen Versuch wert sein.

Da ich aber nicht lange experimentieren wollte, habe ich mich für einen zweit Variante eine Dübels entschieden

Der zweite Typ Spanndübel basiert auf einem simplen Exzenter. Die Gewindestange wird mit einer 20mm (eher etwas keiner) Unterlagscheibe m Lochraster versenkt, bis die Scheibe an der Unterseite der Platte übersteht. Dann schiebt man die Gewindestange ganz an den Rand des 20mm-Lochs und schiebt dann den Exzenter nach

Am Ende verschraubt man das Teil genau so wie die anderen Dübel. Mit dem Schraubenzieher die Gewindestange fixieren und die Kontermutter anziehen. Der Vorteil ist bei diesem System, dass das Kontern keiner hohen Kraft bedarf. Die Zugkraft wird bei diesem Dübel auf die Unterlagscheibe an der Unterseite des Dübels bzw. an die Unterseite des Tischs übertragen. Wer sich nun wundert, weshalb denn da am Exzenter noch eine sehr grosse Unterlagscheibe mit einer Schraube befestigt ist, der wird deren Sinn sofort erkennen, wenn der Dübel zum ersten Mal eingesetzt bzw. wieder entfernt werden soll. Die grosse Unterlagscheibe verhindert, dass der Exzenter komplett im Tisch versenkt werden kann. Nach Gebrauch muss genau dieser Exzenter aber wieder aus dem Loch raus. Einfach an der Gewindestange ziehen geht dann aber logischerweise nicht, da die Unterlagscheibe nach wie vor an der Unterseite des Tischs genau das verhindert. Der Exzenter muss also zuerst wieder raus und das macht man, indem man die grosse Unterlagscheibe an der  Oberseite nach oben zieht. Nötigenfalls muss man mit den Fingernägeln oder einem kleinen Schraubenzieher auch unter die Scheibe gehen. Hier gäbe es noch Potential für Verbesserungen, aber für mich reicht das erstmal gut.

Ganz allgemein lassen sich solche Halterungen natürlich auch an Stelle von Holz z.B. mittels PLA oder ABS im 3D-Drucker herstellen. Wer die notwendige Ausrüstung hat, der macht sie vielleicht aus Aluminium oder was auch immer. Dem Ideen-Reichtum sind da keine Grenzen gesetzt. Meine Halterungen sind einfach nur zweckmässig und ausserordentlich günstig. Etwas aufwendiger waren dann die Stahlprofile mit den eingefrästen Schlitzen.

Mit der zweiten Bauform der Dübel haben die eleganten roten Spanner, welche ich zu Beginn dieses Berichts erwähnt habe, auf einmal wieder Sinn bekommen. Die lassen sich nämlich nun auch sehr gut kombinieren

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