CNC Portalfräse Eigenbau – Kriterien

Der Eigenbau einer CNC Portalfräse ist nun etwa ein Jahr her und die Maschine läuft soweit gut. Hier eine Zusammenstellung von Kriterien, denen man vor dem Bau oder Kauf Beachtung schenken sollte

Zu meiner CNC-Portalfräse gibt es schon den einen oder anderen Beitrag unter www.qnex.ch im Technik-Blog. Unterdessen ist meine Portalfräse etwas über ein Jahr in Betrieb und natürlich sind damit auch viele Erfahrungen dazugekommen. Hier eine Liste von Kriterien, denen ich von Anfang an Beachtung geschenkt habe und natürlich auch von denen, die schlicht weg von mir unterschätzt wurden.

Grösse bzw. Abmessungen der Maschine

Grösser ist besser, gilt bei so einer Maschine nicht zwingend. Dennoch ist es natürlich ärgerlich, wenn man sich für einen sehr kleine Maschine entschieden hat und dann feststellt, dass sich damit halt auch nur kleine Teile herstellen oder bearbeiten lassen. Bei den Abmessungen habe ich Wert auf zwei Masse gelegt:

  • Der tatsächlich verfügbare Arbeitsbereich in X- und Y Ausrichtung
  • Die maximale Arbeitshöhe von der Spindel zum Arbeitstisch

Bei der verfügbaren Arbeitsfläche des Tischs (X, Y), muss man beachten, dass diese Abmessungen nicht automatisch mit dem Rahmen übereinstimmen. Das heisst, mein Rahmen ist so gegen 1500 x 1500mm, der Arbeitsbereich der Spindel beträgt aber nur rund 1200 x 1200mm. Die Spindel selbst braucht also im Koordinatensystem auch noch Platz. In meinem Fall sind das also rund 300mm. Mit etwas Optimierung liesse sich dieser Verlust noch etwas reduzieren, aber wir reden da nur von ein paar Millimetern. Warum erwähne ich das hier überhaupt? Nun, bei meiner Portalfräse sind noch 1200mm übrig, also 4/5 der Länge. Bei einem Rahmen von 600mm benötigt die Spindel aber immer noch gleich viel Platz und da beträgt der Verlust dann halt bereits die Hälfte.

Die Arbeitshöhe (Z-Achse)

Letztendlich möchte man mit einer solchen Portalfräse eventuell nicht nur Teile von 3mm Höhe fräsen, sondern auch mal ein Werkstück bearbeiten, das z.B. 70mm hoch ist. Das bedeutet nicht automatisch, dass man 70mm hohe Teile in der ganzen Höhe durchtrennen möchte. Ev. will man nur ein Loch oder eine Gravur mit einer Tiefe von 5mm in dieses Stück einbringen. Hier bleibt der Wunsch dann schnell mal der Vater des Gedankens, denn das Werkstück passt unter Umständen nicht unter die Spindel. Mehr noch, das Werkstück würde eventuell darunter passen, aber man kann kein Werkzeug mehr einsetzen, da dieses dann bereits zu lang ist.

An dieser Stelle muss ich ganz ehrlich zugeben, dass ich genau bei diesem Parameter gestolpert bin. Meine Portalfräse hat vom Maschinentisch bis zur Aluminium-Traverse (X-Achse) eine lichte Weite von rund 110mm. Das ist schon mal beachtlich. Diese Distanz ist aber nicht entscheidend für die maximale Bearbeitungshöhe. Das Ende der Spindel lässt sich noch auf einen Abstand von rund 85mm einstellen. Die Spindel ragt also unter die Traverse. Selbst wenn ich die Spindel nun noch hochschieben würde, wäre bei 90mm wiederum Schluss, denn die vertikale Halterung der Spindel begrenzt den Abstand weiterhin auf 90mm

90mm klingen doch aber immer noch gut. In der Praxis ist es dann aber so, dass ich in den meisten Fällen auch über dem Werkstück mit dem Fräser oder Bohrer hinfahren muss. Das heisst, beim Durchfräsen eines Werkstücks von 60mm Höhe, benötige ich auch einen Fräser der mindestens so lang ist. Der aufmerksame Leser wird nun aber sagen, dass man ja von zwei Seiten fräsen könnte und hat damit recht. Wir wären dann also im besten Fall bei einem Werkstück von 60mm Höhe und einem Fräser, der 30mm tief reicht. Dafür müsste ich dann aber das Werkstück umspannen und würde bei allen Massen zudem noch am absoluten Limit fahren. Das kommt nicht wirklich gut.

Die Steifigkeit des Rahmens

Meine Fräse verfügt über einen recht stabilen Alu-Rahmen. Die Führung der Y-Achse (von Vorne nach Hinten), ist sehr robust, da es zwei Führungsschienen (links und rechts) gibt. Die Portal-Achse (X-Achse) liegt links und rechts auf den Führungsschienen auf und ist ebenfalls robust. Eine Torsion, also eine Verdrehung der Schiene, ist zwar möglich, jedoch in meinem Fall eher gering. Bei meinem Rahmen liegt der Schwachpunkt jedoch beim Übergang der X-Achse auf die Z-Achse und bei der Z-Achse selbst. Die Führungen lassen sich zwar durch so genannte Exzenter-Schrauben bzw. Räder spielfrei einstellen, dennoch stellte ich im laufenden Betrieb teilweise massive Abweichungen bei gefrästen Teilen fest. Ganz extrem waren so genannte Helix-Fräsungen. Das sind Löcher, die in Form einer Spirale ausgefräst werden. Die eigentlich runden Löcher waren teilweise oval oder länglich. Anfangs suchte ich noch nach Fehlern bei mir im Maschinencode, bei den Werkzeugen usw. wurde aber nicht fündig. Das Ergebnis liess sich nur verbessern, wenn ich die Maschine erheblich langsamer gefahren oder die Zustellung massiv reduziert habe.

Irgendwann viel mir dann bei einem Video vom Fräsvorgang einer solchen Helix auf, wo das Problem liegt. In der Tat ist es so, dass die Führung der Z-Achse mittels Kunststoff-Rollen realisiert wird. Diese Rollen laufen zwar spielfrei auf und ab, dennoch führen Bewegungen in der Y-Richtung dazu, dass die ganze Z-Achse sich schräg stellt. Das Ganze ist eine Art “Gesamt-Problem”. Von der Auflage der X-Achse links und rechts, über die X-Achse selbst bis hin zur Führung der Z-Achse runter zum Werkzeug entsteht ein Hebel, der genug Kraft entwickelt, dass sich die ganze Z-Achse massiv verdreht.

Die Lösung für dieses Problem: Wie oben bereits beschrieben. Geschwindigkeit reduzieren, Zustellung reduzieren, wirklich scharfe Werkzeuge einsetzen. Natürlich nützt das nur etwas, wenn vorher das Spiel der einzelnen Komponenten so gut es geht reduziert wurde.

Was will ich nun damit aufzeigen? Ein grosser Rahmen ist eine gute Sache und ich würde wieder diese Grösse beschaffen. Ich habe schon Teile am Maximum gefräst. Gross heisst aber auch, dass man möglicherweise mit Problemen bei der Steifigkeit zu kämpfen hat und dies beim Fräsen der Teile berücksichtigen muss. In meinem Fall ist das kein Problem. Wer aber Wert auf Geschwindigkeit und vor allem auf eine sehr hohe Genauigkeit legt, der braucht unbedingt einen stabileren Rahmen.

Die Absaugung

Bis vor ein paar Monaten hatte ich in meiner Werkstatt noch keine brauchbare Absaugung für Späne und Staub. Der Staubsauger musste für alles herhalten. Unterdessen habe ich eine Absaug-Anlage mit einem Zyklon-Abscheider gebaut und diese Anlage mit einer Funk-Fernsteuerung verbunden. Egal ob man nun eine Zentral-Absaugung oder nur den Staubsauger einsetzt, für den Betrieb der Fräse ist eine Absaugung von grossem Nutzen. Bei der Absaugung ist zu beachten, dass diese teilweise über mehrere Stunden laufen muss. Nicht jeder Sauger mag das. Beim Einsatz eines Zyklon-Abscheiders kann ein Staubfilter dennoch notwendig sein. Gerade das Fräsen von MDF-Platten verursacht bei mir extrem feinen Staub und dieser landet nicht vollständig im Abscheider sondern im Staubfilter.

Die Spindel

Ich setze für meine Fräse eine Wassergekühlte Spindel (2.2kw) mit Inverter ein. Die maximale Drehzahl beträgt 25000 Umdrehungen pro Minute. Das klingt nach viel, ist aber eher am unteren Ende der Skala. Ideal wäre eine Spindel, die so gegen 35000 Umdrehungen hinkriegt. Die Wasserkühlung ist eine gute Sache, wenn auch etwas aufwendiger im Betrieb als eine luftgekühlte Spindel.

Die Werkzeuge

Du kannst eine Maschine für 50’000 CHF beschaffen, wenn die Werkzeuge nichts taugen, ist das Gerät nichts wert. Das bedeutet nicht, dass man für jeden Fräser 100 CHF und mehr hinlegen muss, aber das richtige Werkzeug und eine gute Qualität ist wichtig. Ich habe eine ganze Menge von Fräsern jeglicher Art beschafft und die Preise gehen hier von “billig” bis zur “unteren Mittelklasse”. Für mich reicht diese Qualität recht gut, da meine Fräse bisher kein Metall schneiden musste und das auch nur selten vorkommen wird. Für gerade Schnitte in Holz haben sich Zweischneiden-Fräser mit einem Durchmesser von 4-6mm bewährt. Für sehr weiches Holz reicht “billig” oftmals gut. Wenn die Platten dicker und vor allem härter werden, dann sind die billigen Fräser schnell mal überfordert. Da weiche ich dann auch mal auf 4-Schneiden-Fräser aus, die ich dann aber auch auf der Metall-Fräsmaschine einsetzen kann. Da kostet dann ein einzelner Fräser schnell mal über 50 CHF.

Die Steuerung

Bei der Steuerung der Portalfräse muss man zwischen zwei Teilen unterscheiden. Zum Einen sind da die Komponenten wie Schrittmotoren, Inverter, Steuerplatine usw. und auf der anderen Seite braucht man einen Computer oder ein Steuerpanel inkl. Software. In meinem Fall setze ich LinuxCNC ein, obwohl bei der Workbee CNC eigentlich eine eigene Steuerkarte inkl. Software dabei gewesen wäre. LinuxCNC hat sich sehr gut bewährt, ist aber alles andere als 0815 bei der Inbetriebnahme. Zum Thema Steuerung  der Maschine sollte man sich vor dem Kauf oder Bau besonders viele Gedanken machen und die Kriterien auch schriftlich festhalten. Wer eher ein Susi-Sorglos-Paket möchte, und sich keinesfalls mit einem Haufen technischer Daten herumschlagen will, der soll eine fertige Steuerung einsetzen. Wer gerne etwas tüftelt und vielleicht wie ich, kein grosses Budget hat, der ist mit LinuxCNC gut bedient. Nun reicht es aber nicht, die Steuerung für sich allein zu betrachten. Vielmehr braucht es das Betrachten des ganzen Prozesses von der Zeichnung bis zum Fräs-Vorgang. Ich zeichne meine Teile für die Portalfräse immer mit dem Programm FreeCAD. Die fertige Zeichnung muss dann, ebenfalls mittels FreeCAD (Path Modul) in so genannten G-Code übersetzt werden. Beim G-Code handelt es sich um eine Text-Datei, in welcher die Anweisungen für die Steuerung der Fräse aufgelistet wird. FreeCAD bietet mir hier für LinuxCNC eine extra Option und stellt so sicher, dass der G-Code dann auch ausgeführt werden kann. Warum ist das so wichtig? Nun, wenn die Steuerung nicht zur CAM-Software passt, kann es sein, dass der G-Code nicht ausgeführt wird und damit hat man ein Problem.

Die Schutzeinrichtungen

Eine Portalfräse kann mitunter zu einer sehr gefährlichen Maschine werden. Ein Fräser, der mit 25’000 Umdrehungen in die Brüche geht, kann grossen Schaden anrichten. Eine falsch eingegebene Koordinate kann dazu führen, dass die Maschine mal ganz locker sich selbst zerstört und es sehr teuer wird. Die entstehende Wärme beim Fräsvorgang kann Teile zum rauchen oder gar brennen bringen.

In meinen Augen ist es unerlässlich, dass Schutzeinrichtungen beim Fräsen vorhanden sind. Das fängt bei einem “Not-Aus-Taster” an, geht bei der griffbereiten Schutzbrille weiter und hört noch nicht mal bei einem Feuerlöscher oder einer Löschdecke auf. Sicherheit geht vor und daher ist Sicherheit ein wichtiges Kriterium beim Kauf oder Bau einer solchen Fräse. Eine Steuerung, an der sich kein Not-Aus-Taster anschliessen lässt, darf erst gar nicht den Weg in die Werkstatt finden. Sparen bei den Schutzeinrichtungen, indem man sie einfach weglässt, ist keine Option.

Der Frästisch / Die Spannvorrichtung

Den Unterbau für meine Portalfräse habe ich selbst konstruiert. Der besteht aus MDF-Platten, die noch mittels Quer-Streben verstärkt wurden.

Ebenfalls gibt es einfache Stützen, mit welchen sich der Tisch nivellieren lässt und eine “Lochwand” in der Mitte, die für spätere Projekte vorgesehen ist. Der Unterbau umfasst zwei Tische, die später ein wenig auseinander gestellt werden können, so dass ein Spalt dazwischen resultiert. Man kann sich hier vielleicht schon denken, wozu das alles gut ist. Ich möchte später versuchen, Platten auch Stirnseitig zu fräsen. Hierfür werden diese dann an die Lochwand gestellt und befestigt. Das alles ist aber reine Voraussicht und wurde noch nicht getestet.


Der Unterbau ist wichtig, aber nur die halbe Miete. Im Fräsrahmen drin befindet sich der eigentliche Frästisch. Also die Auflage für das Werkstück. Vor dem Kauf oder Bau einer Fräse sollte man sich Gedanken machen, wie dieser Tisch zu verwenden ist. Er muss so genau und eben wie möglich sein. Irgendwie muss sichergestellt werden können, dass das Werkstück beim Bearbeiten sich nicht verschiebt, also befestigt und auch wieder gelöst werden kann. In meinem Fall habe ich in den Fräsrahmen 4 MDF-Platten gelegt. Die unteren Platten liegen längs, die oberen beiden quer zur Y-Achse. Die unteren Platten sind um die 19mm dick, die darüberliegenden Platten nur etwa 8 oder 10mm. Mit der Fräse habe ich dann ein Lochraster durch beide Platten-Lagen gefräst und kann nun so meine Teile auf der Arbeitsfläche fixieren. Der Grund für die zwei Platten-Lagen ist der, dass die obere Lage eine “Opferplatte” darstellt. Bisher habe ich es auch tatsächlich schon hingekriegt, dass die Maschine in diese Opferplatten reingefahren ist.

Der Lärm

Nicht jeder kann mit seinen Maschinen Lärm nach Belieben machen. Sich selbst kann und soll man zwar vor Lärm mit einem Gehörschutz schützen, aber die Nachbarn haben meist wenig Freude an dieser Lösung. Vor dem Aufstellen einer solchen Maschine sollte man sich also Gedanken zu Lärm und dessen Vermeidung bzw. Reduktion machen. Bei mir steht die Maschine absichtlich dort, wo die Emissionen möglichst wenige Leute erreichen können. Die Absaugung ist extra in einem Kasten untergebracht und wird so um locker die Hälfte des Schallpegels reduziert. Auch fräse ich nach Möglichkeit zu Zeiten, an denen die Menschen um mich herum eher nicht ihren Schlaf geniessen wollen.

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