Mostly Printed CNC “Primo” Teil 3

In den ersten beiden Teilen dieser Serie haben wir darüber gesprochen, welche Teile im 3D-Druck entstehen und wie die Druckparameter zu setzen sind – zumindest in Verbindung mit Cura und meinem Ultimaker 2+. Es folgten Infos darüber, wie man sich ausgehend von der gewünschten Größe des Arbeitsbereichs mit Hilfe des MPCNC Calculators die benötigten Längen der Edelstahlrohre berechnen kann. Quellen für die Rohre und die benötigten schrauben und Kugellager haben wir ebenfalls beleuchtet.

In diesem Teil soll es nun darum gehen, welche sonstigen Teile benötigt werden, um eine Mostly Printed CNC (MPCNC) vollständig bauen zu können.

Da fallen enem natürlich sofort die Schrittmotoren ein. Es werden Motoren vom Typ Nema 17 mit 59Ncm Stellkraft empfohlen (5-17HS19-2004S1).

MengeBezeichnungLink
5 (1)5 Schrittmotoren, Nema 17 mit 59 Ncm Stellkraft https://www.amazon.de/STEPPERONLINE-Schrittmotor-Bipolar-Verbinder-DRUCKER/dp/B07CPQC1Y6
In runden Klammern jeweils die zu bestellende Menge

Damit die Motoren auf der X- und Y-Achse ihre Aufgabe erfüllen können, werden Zahnriemen vom Typ GT2 mit 10 mm Breite benötigt. Die Länge der benötigten Riemen berechnet ebenfalls der Calculator (https://docs.v1engineering.com/mpcnc/calculator/).

In meinem Fall (gewünschte Arbeitsfläche von 800 x 600 mm) sind insgesamt ca. 4300 mm Zahnriemen notwendig. Gemäß der Projektwebseite empfiehlt der Entwickler, Riemen mit Stahlverstärkung zu meiden. Zusätzlich sind 4 Riemenscheiben mit 16 Zähnen und einer 5mm Bohrung für die Welle der Schrittmotoren benötigt. Für die Umlenkung kommen weitere 8 Riemenscheiben ohne Zähne zum Einsatz.

Menge/Maß  BezeichnungLink
4,23m (5m)Zahnriemen GT2, 10 mm breithttps://www.amazon.de/gp/product/B075VX183Y
4 (2)2er Set, Riemenscheibe GT2, 10 mm breit, 16 Zähne, 5 mm Bohrunghttps://www.amazon.de/gp/product/B075VW8H8N
8 (2)5er Set, Riemenscheibe GT2, 10 mm breit, ohne Zähne, 5 mm Bohrunghttps://www.amazon.de/gp/product/B0762FV13M
In runden Klammern jeweils die zu bestellende Menge

Für die Z-Achse ist ebenfalls ein Schrittmotor vorgesehen. Er treibt eine T8 Spindel an. In meinem Fall ist die Spindel 200 mm lang. Dieser Wert wird vom Calculator berechnet (siehe vorhergehende Abbildung “leadscrew length”). Um die Spindel mit der Motorwelle zu verbinden, ist eine Kupplung 5×8 mm notwendig.

Menge/Maß  BezeichnungLink
200mm (200mm)T8 Spindel mit Spindelmutterhttps://www.amazon.de/gp/product/B07LDZY8RY
1 (1)2er Set, Wellenkupplung 5×8 mmhttps://www.amazon.de/gp/product/B08B6BHNKC
In runden Klammern jeweils die zu bestellende Menge

Weiter geht es mit den Teilen der Steuerung. Ich möchte – wie viele andere Bastler auch – als Steuerung einen Arduino Uno R3 verwenden. Einerseites kenne ich mich mit diesem kleinen aber feinen Stück Hardware aus, andererseits habe ich hier noch einen Uno liegen und habe nun eine sinnvolle Verwendung für ihn. Auf den Arduino wird das sog. CNC-Shield gesteckt, welches für den Anschluss der Schrittmotoren und der optionalen Endlagenschalter verwendet wird. Auch kann man eine Tastplatte zur automatischen Nullpunkt-Bestimmung anschließen (https://hc-maschinentechnik.de/CNC-Tastplatte-fuer-Estlcam). Damit die Motoren genügend Strom bekommen, sind ebenfalls Anschlüsse für Motortreiber vorgesehen. Die Konfiguration wird über Jumper mit Rastermaß 2,54 mm durchgeführt. Man fidnet dieses häufig auf ausrangierten Mainboards oder man kauft sich eine Handvoll bei Amazon oder im Elektronikladen um die Ecke.

Menge  BezeichnungLink
1 (1)Arduino Uno R3 oder kompatiblehttps://store.arduino.cc/arduino-uno-rev3
1 (1)CNC Shield V3 Development Boardhttps://www.amazon.de/gp/product/B07CZDC9TZ
4 (1)5er Set, DRV8825 Schrittmotor Treiberhttps://www.amazon.de/gp/product/B073VK4YN7
5 (1)Jumper RM 2,54 mm (aus dem PC-Bedarf)https://www.amazon.de/gp/product/B0094DWS0E
In runden Klammern jeweils die zu bestellende Menge

Die Elektronik kann man beispielweise in einem Gehäuse unterbringen, welches man ebenfalls aus dem 3D-Drucker bekommt. Ein Beispiel findet sich unter: https://www.thingiverse.com/thing:2895681. Aber auch kleine Schaltkästen oder anderweitige Selbstbaumaßnahmen sind denkbar.

Ich habe mir einige zeit Gedanken gemacht, auf welche Art und Weise man die die Kabel von der Steuerung zu den Schrittmotoren und Endlagenschaltern trennbar gestalten könnte. Mir kamen da teilweise Stecksysteme aus dem RC-Modellbau in den Sinn. Glücklicherweise haben sich schon andere diese Gedanken gemacht und verwenden 2- und 4-polige GX16 Stecker/Buchsen, die sich offensichtlich bewährt haben. Diese Verbindung ist verpolungssicher, kann verschraubt werden und hat eine Zugentlastung. So kann man die Kabel trennbar mit der Steuerung verbinden. Es sie noch gesagt, dass man spätestens jetzt auch Lötkenntnisse mitbringen sollte, die Litzen der Kabel anlöten zu können.

Dupont Buchsen

Die Litzen vom CNC Shield zu den Buchsen im Gehäuse werden an den Buchsen gelötet und am CNC Shield mit sog. Dupont-Buchsen angeschlossen. Da ich bereits eine passende Crimp-Zange samt Buchsen/Steckern mein Eigen nenne, muss ich mir hier nichts kaufen, werde aber dennoch in der folgenden Tabelle ein Angebot mit auflisten.

Es ist auch möglich, vorkonfektionierte Dupont-Kabel zu kaufen. Dann spart man sich das Aufcrimpen der Stecker. Man könte z.B. 4-adrige Dupont-Kabel nehmen, auf denen an beiden Enden Buchsen aufgecrimpt sind. Dann halbiert man die Kabel und kann sie prima an den GX16-Buchsen anlöten.

Das CNC Shield benötigt Strom für sich und Motoren. Dazu bietet sich ein Netzteil mit 12 V an. Das Shield kann zwar Spannungen zwischen 12V und 36V verkraften, aber da ich evtl. einen beleuchteten Ein/Aus Schalter verbauen möchte, bleibe ich vorsorglich bei 12V/5A. Viele der beleuchteten Schalter für den Niedervoltbereich vertragen für die LED maximal 12V. Damit man das Notebook-Netzteil problemlos anschließen kann, ist für den Hohlstecker des netzteils eine passende Buchse im Gehäuse vorzusehen. Auch die habe ich daheim, werde aber ein Beispiel in die Liste mit aufnehmen.

MengeBezeichnungLink
1 (1)12V 5A Netzteil Adapter, AC 100-240V, 60W, Hohstecker 5,5 mm x 2,1 mmhttps://www.amazon.de/gp/product/B07L5GP7SD
1 (1)Set, Einbau Buchse 5,5 mm x 2,1 mmhttps://www.amazon.de/DeLock-Steckverbinder-5mm-Buchse-Einbaubuchse/dp/B00FWP5EYK
5 (1)10er Set, GX16 4-polig (für den Anschluss der Schrittmotoren)https://www.amazon.de/gp/product/B07VCPY97D
6 (1)
1 (1)
10er Set, GX16 2-polig (6 für den Anschluss der Endlagenschalter, 1 für den Anschluss der Tastplatte)https://www.amazon.de/gp/product/B07VBLSHJF
1 (1)Set Crimpzange mit Dupont Steckern/Buchsenhttps://www.amazon.de/gp/product/B078K9DT69
1 (1)4er Set, Ventilator 40 mm x 40 mm x 10 mmhttps://www.amazon.de/gp/product/B07CM1PQNS
In runden Klammern jeweils die zu bestellende Menge
Hinweis: Man kann auch alles mit dem 10er Set GX14 4-polig verdrahten. 5x 4-polig für die Motoren, 3x 4-polig für die 6 Endschalter, 1x 4-polig für die Tastplatte. Mir ist es allerdings lieber, die Anschlüsse getrennt zu halten.

Es ist immer hlfreich, weiteres Zubehör zu haben. Will man Endlagenschalter verbauen, sind bis zu 6 Stück notwendig. Diese befestigt man mit Hilfe von 3D-gedruckten Teilen auf den Stahlrohren. Es bieten sich verschiedene Varianten an. Zwei davon habe ich in der folgenden Tabelle augeführt. Weiteres benötigtes Zubehör für den Aufbau sind Schraubenzieher, Steckschlüssel/Maulschlüssel/Ringschlüssel, Lötkolben/Lötstation, Schrauben zur Befestigung der Füße auf der Grundplatte, Schrumpfschlauch, Kabelbinder, evtl. ein Niedervolt-Schalter für die Elektronik, um den Strom ein- und ausschalten zu können und Kabelbinder.

Empfehlenswert sind übrigens auch Schleppketten (Energieketten), um die Kabel, die zu den Schrittmotoren führen sauber verlegen zu können.

MengeBezeichnungLink
6 (1)10er Set, Mikro Schalter (Alternative 1)https://www.amazon.de/gp/product/B08734MSDD
6 (1)6er Set, Mechanischer Endschalter (Alternative 2)https://www.amazon.de/gp/product/B08R5NZDMH
3 (3)Kabelschleppkette, 15mm x 30mm, 1mhttps://www.amazon.de/gp/product/B07H7FH8JX
In runden Klammern jeweils die zu bestellende Menge

Abschließend stellt sich die Frage, mit welche Form von Kabel man denn nun all die Teile miteinander verbindet? Für den Anschluss der Motoren habe ich mich für geschirmte, Steuerleitung 4 x 0,5 LiYCY entschieden. Eine Rolle mit 25m sollte locker ausreichen. Die Endschalter werden 2-adrig angeschlossen. Dazu reicht es aus, simple 2-adrige Leitung zu verwenden. Wenn man die nicht zur Hand hat und stattdessen aus zwei miteinander verdrillten 0,25 qmm Litzen den Anschluss fertigen möchte, kann Gewebeschlauch verwenden und in diesem die Litzen geschützt unterbringen.

MengeBezeichnungLink
25mSteuerleitung, geschirmt, LAPP Unitronic, 4 x 0,5https://www.ebay.de/itm/Steuerleitung-flexibel-geschirmt-UNITRONIC-LiYCY-4×0-5mm-Lapp-Kabel-0034604/122857362393
5mGewebeschlauch, 4-10 mmhttps://www.amazon.de/gp/product/B07JQ78X4J

Damit sollte alles beisammen sein, was man benötigt.

Mostly Printed CNC “Primo” Teil 2

Im ersten Teil ging es um den 3D-Druck der Teile, die für die Mostly Printed CNC (MPCNC) notwendig sind. Die Anzahl und Art der Teile ist dabei völlig unabhängig von den angestrebten Größe der Fräse. In Teil 2 meiner Serie möchte ich mich mit der Größe der Fräse und der Materialbeschaffung beschäftigen.

Als Größe für dem Arbeitsbereich der Fräse habe ich 800 x 600 mm im Blick. Größer soll sie nicht werden, zumal die gesamte Konstruktion mit steigender Größe auch an Stabilität verliert. Freilich ist es möglich, auch größer zu bauen. Man geht dann eben Kompromisse in der Verwindungssteifigkeit ein.

Auf der Projektwebseite gibt es einen Kalkulator (https://docs.v1engineering.com/mpcnc/calculator/), mit dem man die Längen der benötigten Edelstahlrohre bestimmen kann. Zuerst setzt mal einige Vorgabewerte, z.B. ob man in mm oder Zoll die Werte berechnet haben möchte und welche Maschine man als Frässpindel einsetzen möchte. Da ich eine handgeführte Makita Kantenfräse RT0700CX2J besitze, habe ich mich in den Inputs für dieses Modell entschieden.

Die Inputs für den Calculator

Im nächsten Schritt gibt man nun die Arbeitsfläche und die gewünschte Hubhöhe der Fräse an und bekommt die Längen der Edelstahlrohre berechnet.

Mit diesen Maßen kann man sich im gut sortierten Fachhandel Edelstahlrohre besorgen, die einen Außendurchmesser von 25 mm und eine Wandstärke von 2 mm haben. Wenn man sie nicht fertig auf Länge geschnitten bekommen kann, ist es sinnvoll, einen Rohrschneider (Handwerkzeug) daheim zu haben. Aber vorsicht: Die Rohrschneider aus dem Baumarkt sind meist nur für Kupferrohr geeignet. Rohrschneider für Edelstahl bekommt man im Fachhandel oder im Internet ab etwa 30 Euro für die günstigen Modelle. Beispiel: https://www.rosebikes.de/birzman-ftc-rohrschneider-2666412

Es gibt auch Anbieter im Netz, z.B. auf eBay der Verkäufer “rundumedelstahl_de”, die Komplettsätze an Rohren für die gewünschte Größe des Arbeitsbereichs anbieten. Ein Satz fertig konfektionierte Edelstahlrohre schlägt dann mit Versandkosten mit etwa 90 Euro zu Buche. Link: https://www.ebay.de/itm/313322663610

Für den mechanischen Aufbau sind natürlich auch Schrauben, Muttern und Kugellager notwendig. Auch hier kann bzw. sollte man sich an der Projektwebseite orientieren:

  • 46x M8x40 Außensechskantschraube DIN 933
  • 46x M8 Sicherungsmutter DIN 985
  • 65x M5x30 Linsenkopfschraube DIN 7985
  • 65x M5 Sicherungsmutter
  • 24x M3x10 Linsenkopfschraube DIN 7985
  • 10x M2,5×12 Linsenkopfschraube DIN 7985
  • 44x 608-2RS Rillenkugellager

Alternativ gibt es aber auch hier in Deutschland Komplettsets aus Schrauben, Muttern und Kugellagern zu kaufen. Beispiel: https://www.ebay.de/itm/MPCNC-Primo-Schrauben-Kugellager-Kit-Set-Mostly-Printed-CNC-A2-Edelstahl-/392982169143

Mit den 3D-Druck-Teilen, den Edelstahlrohren und Schrauben kann man anfangen, den Grundrahmen der CNC-Fräse aufzubauen. Es fehlen freilich nocch eine ganze Menge an Teilen, wie z.B, die Schrittmotoren, Zahnriemen, Elektroik, Kabel etc. Allerdings sollte man sich schon jetzt darüber Gedanken machen, auf welcher Basis (Platte) die Fräse montiert werden soll. Das ist notwendig, da die Fräse in sich nicht formstabil ist. Sie hat keinen geschweißten oder geschraubten Stahlrahmen, wie ihn Fertigmaschinen üblicherweise haben. Daher müssen die Füße auf einer Grundplatte montiert werden.

Übrigens: Wer sich eine Fräse aus Stahl/Aluminium bauen möchte, kann sich gerne einmal die Volksfräse von Uncle Phil ansehen: https://www.unclephil.de/volksfr%C3%A4se-vf1/

Die Größe der Grundplatte spuckt ebenfalls der Calculator aus und zwar abhängig vom gewünschten Arbeitsbereich.

Die minimale Größe der Platte beträgt also 1070 mm x 879 mm. Die Außenkanten der Füße sind dann exakt an den Außenkanten der Ecken der Grundplatte. Wenn man nicht gewillt ist, einen ganzen Tisch für die Primo zu bauen, bei dem dann z.B. unter der Platte die Elektronik und Spannungsversorgung untergerbracht werden kann, sollte sich jetzt überlegen, die Platte in beiden Richtungen um 5 cm größer zu besorgen. Das erlaubt es dann später eine Art kleinen Schaltschrank mit auf der Platte stehend zu montieren und hat obendrein noch an zwei Kanten Platz, 30 mm breite Energieketten (Schleppkletten) für die Kabelführung zu nutzen. Da ich mir noch nicht sicher bin, ob ich für die Fräse eine Tisch bauen werde, werde ich zuerst mal eine Platte besorgen: Größe (1070 mm + 50 mm) x (879 mm + 50 mm) = 1120 mm x 929 mm.

Die Grundplatte sollte nicht zu schwach gewählt werden. Eine 20 mm starke Multiplex- oder Siebdruckplatte sollte es mindestens sein. Solche Platten kann man sich in einem gut sortierten Baumarkt, bei einem Holzhandel, der Zuschnitt anbietet oder bei einem Onlinehändler für Plattenwerkstoffe besorgen, z.B. https://expresszuschnitt.de/Multiplexplatte-Birke-Multiplex. Am Beispiel des hier genannten Händlers die Preise zum Zeitpunkt 04/2021:

  • Multiplex Birke, 1120 x 929 x 21 mm: 82,31 € zzgl. Versand
  • Siebdruck, 1120 x 929 x 21 mm: 89,85 € zzgl. Versand

Die Versandkosten belaufen sich jeweils auf 34,95 €.

Wer bei einem lokalen Holzhändler einkaufen kann, kommt evtl. deutlich günstiger weg, weil die Versandkosten entfallen. Selbst der Kauf einer eigentlich zu großen Platte kann sich lohnen, wenn man sie daheim auf einer Tischkreissäge oder mit einer Tauchkreissäge auf das Endmaß schneiden kann.

Was sonst so an Teilen benötigt wird, um die MPCNC Primo zu bauen und wo man diese bekommen kann, folgt im dritten Teil der Serie.

Mostly Printed CNC “Primo” Teil 1

Seit längerem trage ich den Wunsch nach einer CNC-Fräse mit mir herum. In der engeren Auswahl war auch immer eine Stepcraft -2/D.840 (https://shop.stepcraft-systems.com/stepcraft-2-840-bausatz). Da ich aber bereits seit 2016 einen 3D-Drucker mein Eigen nenne, habe ich mich nach einer Selbstbaulösung umgeschaut. Dies verspricht geringere Kosten und gleichzeitig ein anspruchsvolles Projekt, mit dem ich überprüfen kann, ob eine CNC-Fräse das richtige für mich ist. Steigen zukünftig die Anforderungen, kann dann der Schritt hin zu einem Fertigprodukt gewagt werden.

Da kam mir ein Artikel in der c’t 6/2021 (CNC für alle, ab Seite 154) gerade recht. Der Redakteur hat eine Mostly Printed CNC (MPCNC) gebaut und darüber auf 7 Seiten berichtet. Ein Blick auf die Projektwebseite ergab, dass es mittlerweile eine Nachfolgeversion gibt (https://docs.v1engineering.com/mpcnc/intro/). Sie hört auf den Namen MPCNC Primo.

Eine MPCNC Primo (Foto (c) V1 Engineering)

Glaubt man den Ausführungen im c’t Artikel und den Berichten im Netz, soll die MPCNC für Holz-, Kunststoff und Aluminiumbearbeitung geeignet sein. Das klingt erstaunlich, da viele Teile der Fräse im 3D-Drucker entstehen. Insgesamt 53 Teile sind zu drucken zzgl. Teilen für die Montage des eigentlichen Fräsmotors. Welche Teile in welcher Menge zu drucken sind, findet man in einer Auflistung unter https://docs.v1engineering.com/mpcnc/PParts/.

Der Rahmen der MPCNC besteht aus Edelstahlrohren und diese sind in unterschiedlichen Teilen der Welt in unterschiedlichen Maßen zu bekommen. Für Europa bietet es sich an, Rohre mit 25 mm zu verwenden.

Bevor mit dem Druck begonnen werden kann, sind noch einige Arbeiten zu erledigen. Zuerst einmal werden die STL-Dateien für den 3D-Drucker benötigt. Man kann sie aus verschiedenen Quellen herunterladen:

Wichtig ist darauf zu achten, dass die Teile mit der Buchstabenbezeichnung “F” verwendet werde, denn diese sind für 25 mm Edelstahrohr ausgelegt.

Ich habe mich für den Download von Github entschieden. Wer sich mit dem Versionierungssystem Git nicht beschäftigen möchte, holt sich die Files aus einer der anderen genannten Quellen.

Sobald die Daten da sind, kann mit dem Druck begonnen werden. Betrachtet man sich die Teileliste
(https://docs.v1engineering.com/mpcnc/PParts/) fällt auf, dass die Teile mit A und B markiert sind. A entspricht dabei schwarz und B entspricht rot, also ganz so, wie auf den Fotos der CNC auf der Webseite des Projekts. Ich habe mich für A = weiß und B = orange entschieden.

Als Filament verwende ich PLA von Ultimaker. Der empfohlene Infill ist dabei 45%. Lediglich der Core – das größte Teil der Fräse – wird mit 70% Infill gedruckt. Meine Einstellungen im Detail:

  • Nozzle: 0,4 mm
  • Layer Height: 0,25 mm
  • Infill Density: 45%
  • Infill Pattern: Cubic
  • Print Speed: 60 mm/s
  • Build Plate Adhesion: Skirt
  • Printing Temperature: 200 °C
  • Build Plate Temperature: 60 °C
Die Druckeinstellungen in Cura

Ich verwende die Software Cura. Sie bietet unter anderem auch das Infill-Pattern Gyroid an. Laut des c’t-Artikels kann man in diesem Fall die Infill Density um 10 – 15% reduzieren. Wer es also eilig hat oder etwas Geld sparen möchte, kann zu dieser Kombination greifen.

Apropos Geld: Ich habe für alle 3D-Druck-Teile nachgehalten, wie viel Druckzeit (inkl. Heating up und Cooling down) benötigt wird, wie hoch die Stromkosten sind und was man bei Verwendung mit Ultimaker PLA veranschlagen muss.

TypMesswertKommentar
Druckzeit136 Stundeninkl. Heating up und Cooling down
Menge Filament
235 m
Kosten Filament
98,69 €A: Ultimaker Tough PLA: white
B: Ultimaker PLA: orange
Menge Strom20,36 kWh
Kosten Strom7,41 €

Jetzt stellt sich natürlich die Frage, ob man nicht auch ein anderes Filament verwenden könne, als PLA. Ich habe teilweise auch zu Tough PLA von Ultimaker gegriffen. Ein Freund empfahl mir hingegen PETG. Doch das ist in diesem Projekt mit Vorsicht zu genießen. Es ist zwar stabiler als PLA, aber es ist nicht so maßhaltig. Der Entwickler des Projekts sagt dazu auf seiner Webseite:

Recommended Print Settings: PLA for dimensional accuracy (PETG is also acceptable, if your dimensions are verified good and you are willing to sacrifice some rigidity). Two or more perimeters for through hole strength. There are some steep walls so no more than 75% layer height to nozzle diameter. No support should be needed for any part I have designed.”

Das Programmfenster von Cura
Das Teil “Truck F Primo Mirrored V1” im Druck.

Mit den gewählten Druckeinstellungen geht es einigermaßen. zügig voran. Mit einer geingeren Schichtdicke oder einer feineren Düse wären die Teile hübscher geworden, aber darauf kommt es hier nicht an.

Eine kleine Auswahl der gedruckten Teile