Portalfräse mit LinuxCNC

Im Laufe meiner bisherigen Tätigkeit als Hobbyist und Techniker habe ich mir so einige Maschinen und Geräte angeschafft. Nach vielen Jahren habe ich mich nun an ein ganz besonderes Projekt gewagt. Ich habe mir eine Portalfräse gebaut. Der Weg dahin war nicht ganz einfach, aber er hat sich wirklich gelohnt

Portalfraese

Bevor ich hier technische Angaben zum Bau meiner Portalfräse mache, möchte ich erstmal die Geschichte dahinter erzählen. Der Grund hierfür ist einfach. Ich denke, die meisten Hobbyisten, die sich überhaupt für eine solche Maschine interessieren, eine bauen oder fixfertig anschaffen, müssen sich erstmal viele Gedanken dazu machen. Bei mir war das nicht anders und vielleicht erkennt sich der eine oder andere Leser in dieser Geschichte wieder.

Herbst 2019 - Die Entdeckung der Graviermaschine

Im Herbst 2019 war ich vermehrt mit meinem 3D-Drucker beschäftigt. Das war auch der Grund, weshalb ich öfters mal bei Pinterest und YouTube nach Informationen sowie bei AliExpress nach Material Ausschau gehalten habe. Bei AliExpress. Viele 3D-Drucker stammen aus China und daher liegt es nahe, dass auch von dort die Ersatzteile kommen. Auf der Suche nach Teilen bin ich dann immer wieder auf “Engraving Machines” gestossen. Nun, eine Graviermaschine war eines der wenigen Teile, das ich definitiv nicht brauchte und daher lag auch kein Fokus auf diesen Angeboten. Das änderte sich dann aber schnell, als ich bei YouTube auf eine Maschine mit der Bezeichnung “MPCNC” gestossen bin. Bei der MPCNC handelt es sich um eine Portalfräse, welche zu grossen Teilen aus 3D-gedruckten Teilen selbst zusammengebaut wird. Zum besseren Verständnis hier ein Bild von so einer MPCNC

Auch bei diesem Ding dachte ich anfangs, es sei eine einfache Graviermaschine. Ich kapierte dann allerdings recht schnell, dass ich bei meinen Vorstellungen sowohl hier als auch bei den Modellen von AliExpress den Begriff “Engraver Machine” etwas weiter interpretieren musste. Ja, diese Maschinen können gravieren, keine Frage. Diese Maschinen können aber auch Holz, Kunststoff, Aluminium und teilweise sogar Stahl fräsen.

Ich war erstmal von der MPCNC hell begeistert und sah mir verschiedene Videos dazu an. Ebenfalls besorgte ich mir die Baupläne unter https://www.v1engineering.com/specifications/.

Sehr schnell wurde mir klar, dass ich keine Lust haben würde, alle 3D-Teile selbst zu drucken und suchte nach einem Lieferanten im Internet. Es gibt immer wieder Leute, die solche Teile verkaufen und ich wurde daher auch schnell fündig. Hier kam dann auch die erste Ernüchterung. Ich bestellte für rund 120 CHF in Deutschland einen kompletten Satz Teile gegen Vorauszahlung und wurde über den Tisch gezogen. Nun denn, wieder einmal Lehrgeld bezahlt…

Das Lehrgeld hat sich aber dann doch noch gelohnt. Ich fing an meine Idee, eine MPCNC zu bauen, nochmals zu überdenken. Es waren vor allem die Abmessungen, welche mir zu schaffen machten. Die MPCNC basiert auf einer Rohr-Konstruktion und erreicht schnell mal ihre Grenzen. Zwar gibt es wohl Leute, die sehr grosse MPCNC-Rahmen gebaut haben, aber ich las auch immer wieder von Stabilitätsproblemen. Dazu kam, dass die Konstruktion nicht ganz so günstig werden würde, wie man das in den Foren nachlesen konnte. Wer schon mal in der Schweiz die Preise im Baumarkt mit denen in Deutschland vergleichen konnte, der weiss wovon ich rede. Dazu kommt, dass man gerade bei Kleinmengen halt einfach eine Menge draufzahlt.

Auf einmal hatte ich nur noch Fragen und so gut wie keine Antworten mehr. Wie gross soll denn nun die Maschine werden? Welche Spindel setze ich ein? Wie kühle ich das System? Welche Steuerung verwende ich? Wie stelle ich die Maschine auf? Wie erhalte ich grosse Stabilität? Wie sauge ich den Staub ab? Wie viel Krach macht das Teil? Wie zeichne ich die Teile? Und so würde die Liste endlos weitergehen.

Durch Zufall bin ich dann auf einen fixfertigen Fräsrahmen unter https://ooznest.co.uk/ gestossen. Das beantwortete zwar noch die wenigsten der oben aufgeführten Fragen, aber ich beschloss dennoch, mir den grössten Rahmen, eine wassergekühlte Spindel (2.2kW) mit Inverter und diverses Fräs-Zubehör zu kaufen. Die Frage der Steuerung hatte ich unterdessen auch beantwortet. Es sollte eine Steuerung mit LinuxCNC werden und die Teile würde ich in FreeCAD zeichnen. Mit FreeCAD bzw. dessen Path-Modul lässt sich der so genannte G-Code für die LinuxCNC-Steuerung generieren. Zwar gibt es noch zahlreiche andere Steuerungsmöglichkeiten, aber die liess ich mal vorerst aussen vor.

Weihnachten mit etwas Verspätung

Anfang 2020 wurde dann die erste Ladung Teile per Kurier angeliefert. Der Aufbau des Rahmens gestaltete sich durchwegs einfach. Eine Anleitung liegt bei und die passt auch wirklich dazu. Auch Teile haben keine gefehlt und die Qualität der Teile war absolut einwandfrei

Ich gehe an dieser Stelle absichtlich nicht auf den Zusammenbau jeder einzelnen Schraube ein, da es hierfür eine gute Anleitung und zahlreiche Videos im Internet gibt. Auf dem Bild wird die Grösse des Rahmens sehr deutlich. Die Fläche der Tische beträgt 1.60m x 1.60m. Den Platz und ebenfalls genug Platz um die Fräse herum, muss man schon einrechnen.

Nach dem Fräsrahmen folge der Unterbau (Die Tische waren auf die Dauer sicher keine Lösung) und natürlich die Steuerung. Die Steuerung wiederum besteht aus den Motoren, Endschaltern, Sensoren, Kabeln, Steckern, Treibern usw.

Was auf dem Bild nun sehr chaotisch aussieht, ist mal die erste bzw. zweite Variante der Steuerung. Bei der ersten Variante habe ich noch ein zu kleines Brett für die Komponenten gewählt. Die Steuerung soll, wenn ich dann mal Lust und Zeit habe, in einen Kasten rein. So lange aber an der Maschine noch öfters Änderungen vorgenommen werden, macht so ein Kasten noch wenig Sinn.

Wer sich mit Technik auskennt, der wird sich nun fragen, was denn das genau soll. Vor allem die Box mit den Kabeln wirft einige Fragen auf. Hier also ein paar Erklärungen zum Bild:

Oben Links, die 5 schwarzen Teile nebeneinander sind so genannte Treiber. Jeder Schrittmotor benötigt einen solchen Treiber. Die LinuxCNC-Steuerung liefert die Steuersignale an den Kasten unten links. Darin befinden sich zwei Parallel-Karten, welche über ein Parallel-Kabel mit dem Steuerungs-Computer verbunden sind. Der Computer ist auf dem Bild nicht zu sehen. Die Parallel-Karten steuern dann über die Verteilbox – Das ist der Kasten in der Mitte unten mit den vielen Steckern und Kabeln – die Treiber. Die Treiber erhalten 36 Volt Betriebsspannung vom Netzteil. Das ist der glänzende Kasten in der oberen Reihe. Unten im Bild sieht man noch einen der Schrittmotoren, welcher für die Y-Achse zuständig ist. Nun fehlt noch der Kasten oben rechts. Das ist ein Inverter. Der Inverter liefert den Strom und die Frequenz für die Spindel (man könnte auch Fräskopf dazu sagen).

Die Verteilbox mit den Steckern und Kabeln stellt eine Besonderheit dar. Im Grunde könnten die schwarzen Kabel allesamt direkt an der Box unten links angeschlossen werden. Ich habe mir aber vor dem Bau der Anlage den Kopf darüber zerbrochen, welche Steuerung ich einsetzen soll. LinuxCNC war zwar von Anfang an der Favorit, die Umsetzung jedoch ziemlich ungewiss. Wer schon mal eine Steuerung mit LinuxCNC in dieser Art realisiert hat der weiss, dass hier viel Geduld und Aufwand gefragt ist. Aus diesem Grund habe ich mir einen Plan-B zurecht gelegt. Sollte ich die Steuerung mit LinuxCNC nicht hinkriegen, würde ich einen fixfertigen Controller einsetzen, der dann die Steuerbox unten links komplett ersetzt. Damit ich in diesem Fall die Komponenten nicht komplett neu verdrahten muss, habe ich diese Verteilbox als Schnittstelle verbaut. Ich könnte also die D-Sub 25-Stecker von der Verteilbox trennen und an die dadurch frei werdenden Schnittstellen einen Controller unter Berücksichtigung der Pinbelegung anschliessen.

Wenn dann mal alles fertig zusammengebaut ist, hat man also einen Steuerrechner oder einfach ein Steuerpult, eine Steuertafel mit den einzelnen Komponenten und die eigentliche Fräse mit den Schrittmotoren und natürlich der Spindel bzw. dem Fräskopf.

Die oben beschriebenen Treiber steuern nun also die drei Achsen der Fräse an. Der Fräskopf kann sich daher in der X-Achse (rechts-links), in der Y-Achse (vorn-hinten) und in der Z-Achse bewegen (hoch, runter). Speziell ist hier, dass für die X- und Z-Achse jeweils ein Schrittmotor und für die Y-Achse zwei Schrittmotoren benötigt werden.

Das vielleicht wichtigste Teil dieser Portalfräse sieht man jedoch vorne auf dem Tisch liegen. (Bei diesem Bild ist der Unterbau bereits vorhanden). Der so genannte Not-Aus-Taster. Hier meine Empfehlung für jeden, der so eine Fräse bauen möchte. Egal wie sehr es verlockt, die Fräse bereits früh für einen Testlauf in Betrieb zu nehmen, stellen Sie sicher, dass IMMER ein Not-Aus-Taster vorhanden ist und dieser auch funktioniert!

Gerade wenn man wie ich mit einer vollkommen neuen Steuerung ohne jegliche Erfahrung arbeitet, ist der Not-Aus-Taster einfach ein Muss und bewahrt sich und die ganze Maschine vor Schäden. Mein Not-Aus-Taster hat sogar ein langes Kabel dran und liegt im Normalfall vorne links auf dem Tisch. Bei Tests kann ich den Taster auch mal auf die Arbeitsfläche legen oder in die Hand nehmen und so schneller reagieren.

Der Unterbau

Nach dem Zusammenbau des Fräsrahmens wurde mir schnell klar, dass da ein stabiler Unterbau unabdingbar ist. Ich habe mich beim Unterbau für eine Konstruktion mit MDF-Platten entschieden. Der Tisch besteht aus zwei Teilen und kann in der Höhe mittels Stellfüssen ausgerichtet werden. Eine Besonderheit habe ich da noch hinzugefügt, auch wenn ich zum Zeitpunkt des Baus noch nicht wusste, ob diese dann auch irgendwann benötigt oder überhaupt funktionieren wird. Die beiden Tische des Unterbaus können auseinander geschoben werden. An einem dieser Tische ist seitliche eine Lochplatte angebracht, die es ermöglichen soll, z.B. kleinere Platten hochkant unter die Fräse zu spannen. Ob das dann mal zum Einsatz kommt, wird sich zeigen.

Das Lochraster

Sobald man das erste Teil fräsen möchte, steht man vor einer neuen Herausforderung. Jedes Bauteil muss zwingend an Ort und Stelle bleiben. Das ist nicht nur deshalb wichtig, weil einem sonst die Ware um die Ohren fliegt, sondern weil auch die Genauigkeit davon abhängt und bei einem Ablösen oder Verschieben des Bauteils beides Schaden nehmen kann.

Die Grundplatte besteht aus 4 MDF-Platten. Diese sind jeweils gekreuzt in die Maschine eingelegt. Sie liegen dabei auf dem Alu-Unterbau. Das Lochraster habe ich gleich mit der Fräse erstellt. Es handelt sich dabei um 20mm-Löcher in einem 100mm-Raster. Auf dem Bild erkennt man noch eine Besonderheit. Der Rahmen wäre für diese Art des Zusammenbaus eigentlich gar nicht vorgesehen. Mittels ein paar Modifikationen habe ich dann den Rahmen anders zusammengefügt, so dass vorne und hinten keine Teile zum Tisch überstehen. Die Modifikation hat zwei entscheidende Vorteile ergeben:

  1. Es können Teile mit Überlänge in die Fräse eingespannt werden. Das ist unterdessen bereits vorgekommen, als ich Platten von 2.1m Länge mit Reihenlöchern bestückt habe
  2. Der Abstand vom Ende der Spindel (Das ist der Zylinder, der auf dem Bild zu sehen ist) zum Frästisch wurde um ein paar Zentimeter grösser. Das erlaubt es, etwas dickere Platten einzuspannen bzw. auch etwas längere Fräser zu nutzen

LinuxCNC als Steuerung

Ohne brauchbare Steuerung ist die Portalfräse nicht mehr und nicht weniger als ein Haufen Teile ohne Nutzen. Die Fräse steht und fällt mit der Steuerung. An dieser Stelle möchte ich mich nicht mit fremden Federn schmücken, sondern klarstellen, dass aus meiner Fräse ohne fremde Hilfe mit Sicherheit nichts geworden wäre.

Die Fräse bzw. der Rahmen die Motoren wurden ursprünglich mit einem anderen Steuer-Board und einer eigenen Steuer-Software geliefert. Ich habe aber schon vor dem Bau gewusst, dass ich die Steuerung mittels LinuxCNC realisieren möchte. Das mitgelieferte Steuerboard ist aber zu LinuxCNC nicht kompatibel und daher für mich nutzlos. Auf YouTube gibt es zwar viele Videos zu LinuxCNC, aber ein YouTuber sticht dabei heraus, weil er einfach unglaublich viel zu diesem Thema weiss und dieses Wissen auch teilt. Die Rede ist dabei von Peter Damerau. Er nennt sich selbst Talla83 und seine Homepage findet man unter www.talla83.de

Von der Installation von LinuxCNC auf einem Rechner, dessen Konfiguration und Einstellungen bis hin zur Einbindung des Handrades über einen USB-Funksender hat Peter zu allem ein Video gemacht. Als ich mich nach der Installation des Handrades WHB04B-6 (dazu komme ich dann noch) komplett im Wald verfahren habe, wurde eine Anfrage an Peter innerhalb kurzer Zeit und ohne herablassende Art beantwortet und mein Problem sofort gelöst. Danke Peter – Ohne Dich würde meine Maschine nicht laufen oder zumindest nicht mit LinuxCNC 🙂 Peter hat übrigens nicht nur eine sehr umfangreiche Homepage, sondern auch eine Patreon-Seite. Er freut sich mit Sicherheit über jede Unterstützung.

Was hat es denn mit dieser Steuerung auf sich? Nun, die Fräse bzw. der Fräskopf wird mittels Schrittmotoren in drei Achsen bewegt. Die dafür benötigten Steuerbefehle wie eben diese Bewegungen oder auch die Umdrehungszahl des Fräsers, die Wasserkühlung (sofern vorhanden), die Absaugung usw. brauchen Steuerbefehle. Diese Befehle nennen sich G-Code. Der Ablauf ist dann also wie folgt: Man erstellt z.B. eine Zeichnung in 3D in FreeCAD. Danach lädt man in FreeCAD das so genannte Path-Modul und definiert mit diesem Programm, wo denn welcher Fräser welche Aktion ausführen muss. Sind diese Definitionen erstellt, generiert man den G-Code, welcher dann von LinuxCNC in Steurbefehle für die Fräsmaschine umgewandelt wird. LinuxCNC kann nicht nur Fräsmaschinen steuern. Auch Drehmasschinen oder Maschinen mit mehr als 3 Achsen (Ich glaube es sind bis zu 6 Achsen möglich) gehören zu den steuerbaren Geräten. Und: Sowohl FreeCAD als auch LinuxCNC ist kostenlos nutzbar. Das spart enorm viel Geld.

Auf LinuxCNC bzw. dessen Bedienung gehe ich hier nicht separat ein. In diesem Fall verweise ich wiederum auf Talla83. Ich stosse derzeit noch an vielen Orten bezüglich LinuxCNC an meine Grenzen. LinuxCNC könnte ein Vielfaches mehr als ich je nutzen werde und ich lerne noch ständig dazu.

Das Handrad WHB04B-6

Die Steuerung der Portalfräse mittels LinuxCNC ist zwar sehr komfortabel, aber beim Einrichten der Maschine ist ein Handrad dennoch eine grosse Hilfe. In meinem Fall habe ich mich für das Handrad WHB04B-6 entschieden.

Das Handrad oder auch die Handsteuerung läuft über Funk. Der Fräskopf lässt sich dadurch genau positionieren, Makros ausführen oder auch im Fehlerfall alles stoppen. Für Letzteres nutze ich jedoch immer den Not-Aus-Taster.

Das Handrad ist bzw. war einer der grossen Knackpunkte bei der Installation von LinuxCNC. Die Installation braucht so einiges an Fachwissen und kann daher sehr zeitaufendeig wenn nicht sogar zermürbend sein. Auch hierzu hat Talla83 eine sehr umfangreiche Anleitung auf seiner Homepage bereitgestellt.

Die Kühlung der Spindel

Fräsmaschinen gibt es in den verschiedensten Ausführungen. Wo gefräst wird, braucht es auch oftmals eine oder mehrere Kühlungen. Bei meiner Portalfräse wird das Werkstück zwar nicht mittels Kühlmittel gekühlt oder geschmiert, aber die Spindel hat wiederum eine Wasserkühlung, welche sie vor Überhitzung schützen soll. Zugegeben, ich hatte vor dem Bau der Portalfräse wirklich keine Ahnung, wie gross dieser Kühlkreislauf ausgelegt werden muss. Mit der Spindel wird eine Kühlpumpe und Kühlschläuche mitgeliefert. Fürs Erste habe ich da einfach mal einen Tank mit etwa 10 Liter Fassungsvermögen angeschlossen und die Tauchpumpe reingelegt. Als Kühlmittel verwende ich Wasser und ganz normale Kühlflüssigkeit wie sie auch im Auto zum Einsatz kommt. Bisher funktioniert das sehr gut. In meinen Augen ist die Kühlung bei meiner Maschine zu gross ausgefallen, aber die Spindel ist auch noch nie den ganzen Tag am Stück gelaufen, um das mit Sicherheit festzustellen. Ich habe im Laufe von 2020 noch einen Frästisch (Kehlmaschine Marke Eigenbau) gebaut und dort die Kühlung etwas kleiner gewählt. Bisher lief das ohne Probleme. Zum Frästisch liefere ich dann einen separaten Beitrag.

Die Absaugung

Dass ich eine Absaugung für meine Fräse benötigen werden, war mir schon vor dem Bau klar. Pläne hatte ich dafür aber nicht bereit. Bei den ersten Tests habe ich mich mal mit dem Staubsauger begnügt.

Für eine kleinere Fräse mag das praktikabel sein, aber ich empfehle von Anfang an eine fest verbaute Absaugung. Ich habe unterdessen eine extra Zentralabsaugung für die Werkstatt gebaut und auch die Portalfräse daran angeschlossen. Auch zur Absaugung wird es noch einen Beitrag geben.

Warum nicht den Staubsauger verwenden? Im Grunde spricht nichts gegen den Einsatz des Staubsaugers, aber auf die Dauer wird die Werkstatt mit Frässtaub eingedeckt. Ich bin z.B. allergisch gegen den Frässtaub von MDF-Platten und niesse nach dem Einatmen mächtig los. Ohne Absaugung muss ich zwingend entweder meine Doppelfilter-Staubmaske von 3M oder dann gleich die Vollschutzmaske mit dem eingebauten Ventilator anziehen. Tue ich das nicht, ist niessen und anschliessende starke Kopfschmerzen angesagt. Das bezieht sich jetzt wirklich nur auf MDF-Staub. Der Staub macht sich auch in der Absauganlage sofort bemerkbar. MDF-Staub wird sogar vom Zyklon Abscheider meiner Absauganlage nicht zurückgehalten und landet schliesslich im Filter des Saugers, während dies z.B. beim Fräsen von Siebdruckplatten viel weniger der Fall ist

Die Portalfräse in Aktion

An dieser Stelle könnte ich nun noch schier endlos weiter über die Portalfräse schreiben. Stattdessen verteile ich diese Informationen auf mehrere Blog-Beiträge. Die Portalfräse wird in meinen Berichten sicher noch einige Male erscheinen. Sie ist sehr praktisch und noch ausbaufähig. An dieser Stelle möchte ich noch ein paar Videos ohne nähere Erklärungen anfügen, in welchen die Fräse in Aktion zu sehen ist. Die Qualität der Videos ist leider eher mittelmässig, da ich bisher den Fokus auf die Herstellung von Teilen und nicht auf die Videoaufnahmen gelegt habe.

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