Die Anforderungen


Die Anforderungsliste ist kurz und knapp:

  • angemessene Bearbeitungsfläche (Verfahrwege: >600x500x100mm)
  • 3D-Bearbeitung von Aluminium(legierungen), Polymerwerkstoffen und Holz
  • Kosten für die Mechanik: <3000€

Nicht einfach, aber machbar - unter drei Voraussetzungen:

  • Kleverer mechanischer Aufbau für hohe Steifigkeit und exakte Orthogonalität der Achsen
  • Option zur individuelle Anpassung an die jeweilige Fräsaufgabe/-anforderung
  • Bausatz, d.h. Montage durch den Kunden

Mit der dritten Voraussetzung definiert sich automatisch der Kundenkreis: Heimanwender/innen

Beim mechanischen Aufbau der Portalfräsmaschine muss den oftmals begrenzten Mitteln des Heimanwenders bei der Montage Rechnung getragen werden. Nicht jeder kann immer auf eine helfende Hand, Präzisionsmess- und -prüfmittel oder eine Richtplatte zurückgreifen.

Auf den ersten Blick ist die zweite Voraussetzung widersprüchlich, denn "individuell" ist i.d.R. kostentreibend. Ja, wenn man vom Minimum ausgeht, nicht jedoch bei gegenläufiger Betrachtung; so werden nicht immer 20000mm/min Vorschub oder 500mm Portaldurchlasshöhe benötigt.



Schnittkräfte und Leistungsbedarf beim Fräsen


Zur Auslegung der Fräsmaschine müssen zunächst die mechanischen Randbedingungen geklärt werden.
Dazu gehören u.a.

  • die Zerspanleistung (Zerspanungsvolumen pro Zeiteinheit),
  • die Kräfte am Fräser und
  • der Leistungsbedarf der Frässpindel.


Bearbeitung von Aluminium

Ohne nähere Erläuterung (hier empfehle ich die einschlägige Fachliteratur) ergeben sich beim Stirnnutfräsen von Aluminium(legierungen) mit einem Zweischneidfräser d=10mm, vc=200m/min (n=6400/min, f=250mm/min), ap=5mm, fc=0.02mm, ca. Fc=200N Vorschubkraft und Pc=670W erforderliche Spindelabgabeleistung — klingt realistisch für eine Heimanwenderfräsmaschine.

Die Spindelleistung und die Vorschubkraft stellen somit keine besonders hohen Anforderungen dar und können mit nahezu den meisten (auch preisgünstigen) Spindeln (1kW) und Schrittmotoren (1Nm) erzielt werden. Achtung: bei vielen Spinden wird die Nennleistung erst bei 18000/min erreicht!

Dass die meisten Heimanwenderfräsen diese Zerspanungsleistungen trotz sagenhafter 3kW Frässpindel und Nema 34 Schrittmotoren mit 8Nm Haltemoment nicht mal annähernd erzielen liegt an der mangelnden Steifigkeit der Maschine, die sich durch unüberhörbares Rattern bemerkbar macht. Dies geht einher mit einer zwangsläufigen Reduzierung des Fräserdurchmessers, der Zustellung und des Vorschubs. In diesen Fällen wurde eindeutig an der falschen Stelle gespart; aus Herstellersicht nachvollziehbar, denn hohe Wattzahlen und Drehmomente sind nun mal verkaufsfördernd (vgl. 500W-PC-Desktop-Lautsprechertröten).


Bearbeitung von Holz

Bei der Holzbearbeitung sieht die Sache etwas anders aus. Die Schnittkräfte sind bei gleicher Zustellung zwar geringer (gut man kann natürlich mehr zustellen), der Vorschub f liegt jedoch weitaus höher. Bei professionellen Maschinen sind Werte von 20000mm/min nicht unüblich. Mit normalen Schrittmotoren und Spindelsteigungen von ca. 5mm (Kompromiss aus Positioniergenauigkeit und Verfahrgeschwindigkeit) sind solche Vorschübe nicht zu erreichen. Was ist hier realistisch?

Dies ist abhängig vom Schrittmotor und der zugehörigen Endstufe. Hier zeigt die Erfahrung wiedermal: wer billig kauft, kauft (mindestens) zweimal...




Als Endstufen sollten auf keinen Fall "NoName"-Chinaimporte verwendet werden. Im Vergleich zu einer ca. doppelt so teuren Markenendstufe (z.B. Leadshine) ist speziell die Laufruhe des Motors mehr als unzureichend. Ruckeln und Resonanzen bei niedrigen Drehzahlen, ständiges und störendes Pfeifen des Motors und nicht zuletzt die mangelnde Maximaldrehzahl.  Zusammen mit Billigmotoren der Gau.




Billige Schrittmotore (Nema 23/34 für weniger als 30€) weisen zwar ein hohes Haltemoment auf, erreichen mitunter aber nicht mal Leerlaufdrehzahlen größer 500/min; hier macht sich die hohe Induktivität negativ bemerkbar. D.h. Finger weg von Motoren ohne Diagrammen von Drehmoment über der Drehzahl. Kaufen Sie lieber einen vermeindlich schwächeren Markenmotor mit einem geringeren Haltemoment. Eine Motorgröße Nema 23 ist i.d.R. ausreichend.

Mit hochwertigen Markenprodukten (Endstufe plus Schrittmotor ca. 150€) sind Drehzahlen von 1000/min (mit noch ausreichendem Drehmoment) realistisch, so dass sich zumindest Positioniergeschwindigkeiten von ca. 5000mm/min ergeben. Höhere Geschwindigkeiten können nur mit größeren Spindelsteigungen auf Kosten der Genauigkeit oder mittels Servoantrieben (wesentlich teurer) erzielt werden. Für die Heimanwendung ist dies wohl nicht erforderlich.

Bitte beachten Sie auch, dass Wellen, und somit auch die Kugelumlaufspindeln, biegekritische Drehzahlen aufweisen; bei einer 1000mm langen 16er Spindel liegt diese bei nur etwas über 1300/min, so dass die Drehzahl auf 1000/min begrenzt werden sollte.