DIY CNC: 6 kroków do wyboru optymalnej amatorskiej konstrukcji obrabiarki CNC

Jak już wielokrotnie wspominałem na swoim blogu, jest wiele powodów ZA, dla których powinniśmy rozważyć budowę własnej, własnoręcznie zbudowanej maszyny CNC. Jest wiele powodów za: oszczędność pieniędzy, realizacja pasji, jaką niewątpliwie może stać się majsterkowanie, zbudowanie dokładnie takiej maszyny jaką potrzebujemy i wiele innych. Projektowanie i budowanie jakiejkolwiek maszyny, jakiejkolwiek rzeczy, może być łatwe i przyjemne, może także stać się sennym koszmarem.Założenia frezarek CNC są dość proste, ale można szybko „przefajnić” projekt i znaleźć sobie schody nie do przejścia, można budować albo piętrzyć przeszkody. Nie pozwól przeszkodom stanąć na drodze.

Ten blog jest po to, aby powstrzymać cię od popełnienia błędów, które mogą kosztować czas, pieniądze i odbić się na jakości Twojej maszyny CNC. Porady z bloga mogą mieć zastosowanie do prawie wszystkich obrabiarek CNC, bazujących na ruchu liniowym. Na przykład, nie tracą na aktualności przy budowie wycinarki plazmowej.Jeśli odwiedzasz mojego bloga, pewnie myślisz już o zbudowaniu własnej maszyny, pewnie masz już projekt w głowie. Przede wszystkim jakiejkolwiek maszyny byś nie chciał zbudować, pamiętaj, będzie to Twoja maszyna. Niniejszy przewodnik nie ma na celu zniweczyć wszystkich twoich pomysłów, ale raczej uzupełnić Twój projekt o cenne informacje. Żałuję, że nie znalazłem takiego, na początku mojej przygody z CNC. To by mnie uratowało od wielu bóli głowy, nieprzespanych nocy i utraty pieniędzy.

Omawiając 6 kroków do wyboru optymalnej wersji Twojej maszyny CNC  zakładam że znasz podstawowe terminy z zakresu CNC, jeśli nie, to możesz z nimi szybko zapoznać się w tym blogu, czytając posty oznaczone ABC obrabiarek CNC .

Zaczynamy: 

1) Krok pierwszy: Wybór rodzaju maszyny

Istnieją dwa podstawowe rodzaje maszyn CNC. Każdy projekt maszyny CNC jest unikalny, jednakże, istnieją dwa rodzaje obrabiarek CNC, z którymi można się spotkać.
1) Stacjonarne bramowe obrabiarki CNC: z łożem (stołem) ruchomym i nieruchomą bramą (suwnicą)
2) Ruchome bramowe obrabiarki CNC: stacjonarne łoże (stół) i ruchoma brama (suwnica)
Przyjrzyjmy się dokładniej tym projektom:

Obrabiarki z ruchome łożem – stacjonarną suwnicą

Tego typu konstrukcja jest mniej powszechna w wykonaniach amatorskich CNC niż ruchoma konstrukcja suwnicowa.



Frezarka CNC z ruchomym stołem



Istnieją jednak powody, dla których ruchomy stół będzie optymalnym, wręcz jedynym słusznym rozwiązaniem. Są to maszyny małe i takie, gdzie przedmiot obrabiany jest lekki. Ruchomy stół zazwyczaj znajduje zastosowanie w mniejszych maszynach CNC, takich jak frezarki do obróbki płytek PCB lub w grawerkach. W takich obrabiarkach CNC, ruchome łoże sprawdza się doskonale.
Kolejną zaletą tego rozwiązania jest o wiele łatwiejsze stworzenie solidnej bramy, która jest nieodkształcalna pod obciążeniem. To dlatego, że w tym przypadku, suwnica nie musi być lekka, gdyż jest nieruchoma. Mało powiedziane, nie musi być lekka, czym cięższa tym lepiej. Będzie doskonale tłumić drgania. Z tego powodu możemy zbudować obrabiarkę z bramą betonową, granitową, jako konstrukcję szpulową ( o konstrukcji szpulowej napiszę niebawem, gdyż jest u nas mało znana). Oczywiście może być odlewem, ale to już wyższa szkoła jazdy.

W obrabiarkach CNC z ruchomą suwnicą bramową, należy wziąć pod uwagę wagę własną suwnicy i wielkość, w odniesieniu do łożysk liniowych na osi x. Suwnica taka musi być jak najlżejsza. W przypadku Nieruchomej bramy w portalowych konstrukcjach CNC jest odwrotnie. Suwnica CNC ma być jak najcięższa, najsztywniejsza, ma jak najlepiej tłumić drgania.

W konstrukcji z ruchomym stołem suwnica się nie rusza, więc masz więcej możliwości wyboru w odniesieniu do masy, wielkości i wszelkich cech konstrukcyjnych struktury.

Oczywiście są również wady tego typu konstrukcji. Największą z nich jest ograniczona wielkość naszej obrabiarki CNC. Wraz ze zwiększaniem długości posuwu wzdłuż osi x, konstrukcja traci drastycznie na osiągach. Sam stół swoje waży, a dochodzi do tego masa przedmiotu obrabianego, które to masy nie rosną liniowo, a z trzecią potęgą względem długości osi X. Bezwładność stołu wraz z przedmiotem obrabianym staje się znaczącą przeszkodą dla uzyskania znacznych przyspieszeń, a co za tym idzie znacznych wydajności maszyny.

Korzystając z konstrukcji CNC z mobilnym stołem, wraz ze wzrostem długość osi x Twój projekt staje się mniej efektywne ze względu właśnie na rozmiar i wagę łoża.

W praktyce w amatorskich obrabiarkach CNC, całkowita wielkość posuwu osi x wynosi zwykle 30-90 cm. Zdarzają się większe, jednak projekt staje się coraz bardziej skomplikowany.

Konstrukcję ze stacjonarną bramą i ruchomym stołem warto polecić kiedy: przedmiot obrabiany jest mały i lekki, kiedy priorytetem jest dokładność uzyskiwana nawet kosztem wydajności. Budując amatorską obrabiarkę CNC ze stacjonarną bramą betonową lub granitową, spokojnie możemy zazwyczaj obrabiać metal. Pamiętajmy przy tym, że szybkości posuwów wzdłuż osi X nie będą oszałamiające.
Tak na marginesie wspomnę, że mechanizmy osi y i z zwykle bardzo niewiele zmieniają się między konstrukcją z ruchomym stołem a konstrukcją z wykorzystaniem ruchomej suwnicy.

Podsumowując, projekt z mobilnym stołem jest dla Ciebie, jeśli chcesz małe urządzenie, stosunkowo proste w budowie (w najprostszej wersji można poskręcać z rur), oferuje sztywną bramę, ale jest ograniczone w wielkości.

Stół może być ruchomy wzdłuż jednej osi X CNC, lub ruchomy krzyżowy, realizujący ruchy osi X oraz Y.

Obrabiarki z ruchomymi suwnicami bramowymi
Ruchome suwnice bramowe są zastosowane do prawdopodobnie 95% amatorskich frezarek CNC. Wykonanie suwnicy ze sklejki, z MDF gwarantuje, że suwnica będzie wystarczająco lekka i wystarczająco sztywna dla obróbki drewna i materiałów drewnopodobnych.

Frezarka CNC z ruchomą suwnicą i nieruchomycm stołem

 Na pierwszy rzut oka, tego typu projekt jest podobny do wersji z ruchomym stołem z wyjątkiem całego układu ruchy suwnicy wzdłuż osi x. Jest to o tyle korzystne, że całkowity rozmiar jest praktycznie nieograniczony. Waga suwnicy nie zmienia się wraz ze wzrostem długości stołu.

Przypomnę, że waga ruchomego stołu z przedmiotem obrabianym wraz ze zwiekszaniem rosła w trzeciej potędze  w stosunku do długości. W tym przypadku, odwrotnie niż to miało miejsce w konstrukcjach CNC z ruchomym stołem, zależy nam na tym, aby stół był jak najcięższy, a suwnica jak najlżejsza. W praktyce możemy zastosować konstrukcję stołu skrzyniową, wykonaną ze sklejki bądź mdf, balastowaną płytami chodnikowymi.

Pewną trudnością może być zaprojektowanie  suwnicy, tak aby była wystarczająco lekka i wciąż sztywna pod obciążeniem. Nie wspominając już, że musi być mobilna i do tego trzeba dopasować jakiś liniowy zespół łożyskowy (prowadnice liniowe CNC).

Wersja CNC z ruchomą suwnicą bramową jest bardzo wszechstronny. Jeśli masz na myśli coś innego niż małe urządzenie, proponuję ten właśnie wybór maszyny CNC. Jeśli zdecydujesz, który projekt będzie pasował do Twoich potrzeb, możemy snuć dalsze rozważania.
2) Krok drugi: wielkość obszaru obróbkowego obrabiarki CNC

Obszar obróbkowy jest to całkowita długość ruchu, możliwego do zrealizowania wzdłuż każdej osi. Pamiętaj, że jest to jedna z tych decyzji, które często bywa weryfikowana przez życie, np. podczas szukania części, a co za tym idzie, analizą kosztów

 Jeśli zdecydujemy się na części handlowe, łożyska liniowe będą prawdopodobnie podstawowym ograniczeniem. Większość z nas chce zbudować tak dużą maszynę, jak to możliwe.
Określenie wielkości jest drugim krokiem. Później może się okazać, że pewne części i rozwiązania konstrukcyjne, ze względu na materiały i części (ceny) są ograniczone do określonego rozmiaru. Na przykład niektóre systemy prowadnic liniowych mogą być zbyt drogie przy większych rozmiarach, materiały mogą być za mało sztywne po przekroczeniu pewnej wielkości. Są to powody, które mogą ograniczyć obszar obróbkowy naszej maszyny CNC. Należy zawsze pamiętać, że wielkości, grubości mało kiedy skalują się liniowo, względem wielkości maszyny.

Należy pamiętać o tym, że obszar obróbkowy jest ograniczony możliwościami ruchu narzędzia dla każdej osi. Obszar obróbkowy to nie całkowita wielkości maszyny. W ten sposób dotarliśmy do kroku trzeciego.

3)krok trzeci: wielkość Maszyny CNC
Wspominałem już, że większość z nas chce tak dużą maszynę, jak to możliwe, jednak wielkość ta może być ograniczona chociażby ze względu na ilość miejsca w warsztacie lub jakiś inny czynnik. Więc jeśli masz ograniczoną ilość miejsca na maszynę, musisz o tym pamiętać podczas projektowania maszyny, aby nie marnować miejsca w konstrukcji obrabiarki CNC. Na przykład, jeśli mamy miejsce 60 x 90 cm, ideałem byłoby uzyskanie obszaru roboczego 60 x 90 cm. Mimo, że jest mało prawdopodobne, można osiągnąć maksymalny stosunek np. długości całkowitej maszyny w stosunku do długości X obszaru obróbkowego. Rozwiązania handlowe zazwyczaj bywają bardziej zwarte, bardziej kompaktowe. Rozwiązania amatorskie pod tym względem są mniej efektywne, ale za to tańsze.  Dlatego, ze względu na konieczność wyboru między drogimi handlowymi a tańszymi rozwiązaniami zrób to sam, zdecydowałem się na umieszczenie tej kwestii w osobnym punkcie. Jeśli nie musisz oszczędzać miejsa w warsztacie, wybór przemawia za wykorzystaniem rozwiązać DIY: zrób to sam. Jeśli musimy bardziej oszczędzać miejsce niż pieniądze, należy zastanowić się nad rozwiązaniami handlowymi. Zawsze natomiast należy pamiętać że wielkość stołu 60 x 90 cm, to nie jest całkowity obszar, który zajmie nasza maszyna.
4) Krok czwarty: dokładność obróbkowa obrabiarki CNC
Jednym z najważniejszych kwestii podczas projektowania lub budowy amatorskiej maszyny CNC jest jej dokładność. Dokładność kosztuje, szczególnie jeśli ma to być maszyna duża. W tym miejscu naprawdę należy dokładnie się zastanowić, jakiej dokładności oczekujemy. Możemy w tym punkcie zaoszczędzić wiele pieniędzy. Np. jeśli potrzebujemy maszynę do wycinania elementów poszycia łódki, dokładność na poziomie 0,5mm na metrze długości jest więcej niż zadawalająca. Silenie się na większą dokładność uderzy nas bardzo po kieszeni, a uzasadnienia mieć raczej nie będzie.

Mogą temu służyć systemy regulacji jak i sposoby projektowania maszyny przystosowanej do utrzymywania pewnej tolerancji. Na przykład, jeśli wiesz, że wystarczy tolerancja 2mm i wiesz, że więcej nie potrzeba, możesz naprawdę  zaoszczędzić sporo pieniędzy. Dodatkowo możesz skupić się na szybkości. Szybkość obróbki i dokładność nie idą w parze. Musisz się zastanowić się na ile maszyna ma być szybka a na ile dokładna.
Z drugiej strony, jeśli chcesz maszyny z zakładaną tolerancją 0,02mm i to uzyskiwaną powtarzalnie, to istnieją pewne rozwiązania, które pozwolą nam uzyskać taką dokładność,jJednak nie będą one ani tanie ani szybkie.

Typowa amatorska frezarka CNC posiada tolerancję obróbkową od 0,2mm do 0,02mm. Wszystko zależy od Ciebie. Wszystko co musisz zrobić, to wybrać, jakiego rzędu tolerancji wymagasz. Pamiętaj, im większa maszyna, tym bardziej kosztowne jest utrzymywanie tolerancji i tym taka maszyna z reguły jest wolniejsza.
5) Krok piąty: dostępne materiały i narzędzia
Narzędzia i materiały mogą definiować jak będzie wyglądał Twój projekt prawie tak samo jak każdy inny omawiany tu przeze mnie czynnik. Amatorskie maszyny CNC są budowane ze wszystkich możliwych rodzajów materiałów. Bywają maszyny wykonanych z tworzyw sztucznych, drewna, MDF, aluminium, stali i innych. O wyborze materiału na CNC przeczytasz tutaj: diy-cnc-materialy-na-konstrukcje-amatorskie

Wybór materiału, z którego można zbudować obrabiarkę CNC powinien być oparty na 3 kryteriach. Będą nimi:

·         budżet,

·         dostępne narzędzia, i

·         dostępność  materiałów.

Trudno powiedzieć, który materiał jest najlepszy, to zależy od przeznaczenia maszyny CNC. Widziałem maszyn wykonane z płyty MDF, które posiadają lepsze tolerancji niż wykonane z litego metalu. Więc nie można powiedzieć, że metalowe są lepsze. Wszystko zależy od Ciebie.

Drewniana wcale nie oznacza gorsza. Jako materiał do budowy suwnicy drewno jest lekkie i bardzo wytrzymałe w stosunku do ciężaru.

Dlatego ważne jest, aby wybrać materiały z wyprzedzeniem. Oczywiście, twoja amatorska obrabiarka CNC zintegruje wiele materiałów. Obróbki metalu raczej nie unikniemy.

Będziesz musiał dokonać wyboru co do materiałów, które stanowią zasadniczą część urządzenia. Pamiętaj, że:
dobry projekt maszyny CNC do obróbki drewna nie jest dobrym projektem dla obróbki aluminium, czy stali.

Narzędzia, które możesz użyć również określają rodzaj użytego do budowy materiału. Jeśli nie masz dostępu do frezarki, tokarki, maszyn do obróbki metali, to budowa dobrej konstrukcji z metalu będzie bardzo kłopotliwa, o ile w ogóle wykonalna. Zastosowanie materiałów, których nie mamy czym poprawnie obrabiać, prowadzi do obniżenia ogólnej jakości maszyny i jest przyczyną wielu frustracji.

Na papierze wypisz sobie wszystkie narzędzia, które musisz użyć, a potem myśl jakiego materiału można użyć, aby bez problemu poradzić sobie posiadanym arsenałem narzędzi. Przegądając Internet, jak i naocznie, widziałem maszyny zbudowane małą ręczną wiertarką i ręczną piłą. Wyszły lepiej niż można byłoby przypuszczać. Więc absolutnie nie ma potrzeby, aby myśleć, że ponieważ masz ograniczony zasób narzędzi, to nie można zbudować własnej obrabiarki CNC.

 Popularną takich przypadkach metodą jest zbudowanie prostej frezarki CNC, a następnie użycie jej, do budowy ładniejszego, bardziej wypasionego modelu. Metoda ta sprawdza się jeśli nie masz odpowiednich narzędzi.
Pamiętaj: Nie bierz się za robotę, do której nie masz narzędzi. 6) Krok szósty: Budżet
Ostatnim punktem, ale wcale nie najmniej ważnym jest budżet. Ilość pieniędzy, którą jesteśmy w stanie przeznaczyć na budowę własnej obrabiarki CNC.

 Dla chyba wszystkich podejmujących się własnoręcznie budowy obrabiarki CNC jest to kwestia najważniejsza, jest to jeden z czynników, który będzie określać wiele naszych dalszych decyzji.

Przede wszystkim, gdybyśmy mieli pieniądze do wydania na ten cel, to po prostu możemy wszystko kupić. Może nawet całą maszynę. No cóż, należy się zastanowić, czy nie powinniśmy po prostu kupić kilku naprawdę dobrych części i skręcić je razem.

Tak czy inaczej musimy mieć całkowity budżet na uwadze i śledzić, ile wydajemy. Notować wszystkie koszty w arkuszu kalkulacyjnym. To pomoże Ci utrzymać porządek i zobaczyć, na jakie części warto wydać część swoich pieniędzy, a co opłaca się zrobić samemu.
Podsumowanie:

Musimy rozważyć następujące kwestie i podjąć stosowne decyzje.
1) Wybór: Stół ruchomy czy ruchoma suwnica bramowa
2)Decyzja: wymagany obszar obróbki
3) Decyzja: wymagania co do wielkości maszyny
4) Decyzja: wymagania do tolerancji
5) Analiza: materiały i narzędzia
6)budżet

Myślę, że zastosowanie tego sześciopunktowego planu pozwoli na świadome podjęcie wielu decyzji i uporządkuje mysli.