Sie kann Platinen bohren und fräsen, Frontplatten, Gehäuse und Modellbauteile fertigen oder Schilder gravieren: Eine CNC-Portalfräse ergänzt in Fablab und Werkstatt prima den 3D-Drucker. Obwohl ähnlich aufgebaut, gibt es doch bei der Arbeit wesentliche Unterschiede zu beachten.
Aller Anfang ist schwer – vor allem, wenn kleine Fehler und Unachtsamkeiten gleich zu erheblichen Schäden an Mensch und Maschine führen können. Für den reibungslosen Umgang mit CNC-Maschinen gilt wie so oft: Übung macht den Meister.
Auch wenn der Preis der Werkzeuge ständig zur Sorgfalt ermahnte, haben wir unzählige Hartmetallwerkzeuge (siehe Seite 100) zerbrochen und Werkstücke verhunzt, bis unsere CNC-Anlage einigermaßen „rund“ lief. Die hat es im Vergleich zu einem 3D-Drucker aber auch viel schwerer: Ständig können dem Werkzeug Dinge im Weg sein, etwa Spannmittel oder Werkzeuglängen-Taster. Und die Maschine kann nicht irgendwo auf dem Maschinentisch mit der Arbeit anfangen, sondern muss genau wissen, wo das Werkstück liegt.
Hat man beim „Nullen“ des Werkstücks nicht aufgepasst, wird der Fräser nutzlos in der Luft herumfuchteln (was relativ unkritisch wäre) oder mit voller Drehzahl in das Werkstück oder gar den Maschinentisch rauschen – und dann fliegen wahrlich die Fetzen. Nicht umsonst sind kommerzielle Maschinen immer in einer Behausung untergebracht – die sorgt nicht nur für einen sauberen, geräuscharmen Betrieb, sondern auch dafür, dass Bruchstücke nicht ungehindert weggeschleudert werden können und Personen gefährden.
Deshalb gleich ein wohlmeinender Rat: Nähern Sie sich nie ohne Schutzbrille einer laufenden Maschine! Die Späne erreichen enorme Geschwindigkeiten und finden mit Sicherheit auch den Weg in Ihre Augen. Wer einmal einen Aluminiumspan in der Hornhaut stecken hatte, macht diesen Fehler nie wieder.
Im Unterschied zu 3D-Druckern arbeiten CNC-Maschinen mit (mindestens) zwei Koordinatensystemen: den Maschinenkoordinaten und den Werkstückkoordinaten. Die Maschinenkoordinaten sind Absolutwerte, gerechnet vom Maschinen-Nullpunkt (meist der Punkt, den die Maschine nach einem „Home-Zyklus“ zu ihren Referenz-Endschaltern anfährt. Der Maschinen-Nullpunkt liegt nicht etwa „links unten auf dem Tisch“, er ist eine willkürliche, von der Konstruktion abhängige Position irgendwo im Arbeitsbereich.
Alles ist relativ
Im Grunde sind die Maschinenkoordinaten für den Bediener eher uninteressant. Sie werden lediglich gebraucht, um bei der Installation der Maschine die Positionen fest installierter Ziele anzugeben, etwa ein Magazin für den Werkzeugwechsler oder ein Werkzeuglängen-Taster. Und natürlich sind sie auch für die Begrenzung der Maschinenbewegungen relevant, damit die Achsen bei fehlerhaftem CNC-Programm nicht „gegen die Wand“ fahren.
Die Bearbeitung eines Werkstücks geschieht immer in einem eigenen Werkstück-Koordinatensystem. Dessen Nullpunkt befindet sich im einfachsten Fall links vorn auf der Werkstückoberfläche. Alle spanabhebenden Maschinenbewegungen geschehen innerhalb dieses Koordinatensystems (siehe Bild). Die Maschine berechnet aus dem Werkstück-Nullpunkt und den dazu relativen Werkzeug-Koordinaten automatisch ihre (intern verwendeten) Maschinenkoordinaten zur Steuerung der Achsposition. Üblicherweise müssen Sie sich um die Maschinenkoordinaten nicht kümmern.
Die können je nach Maschine übrigens auch negativ sein – professionelle Maschinen haben ihren Maschinen-Nullpunkt oft rechts oder links oben hinten, sodass mindestens eine Achse negative Maschinenkoordinaten aufweist.
Beim Werkstück-Koordinatensystem herrscht dagegen Einigkeit: Nach rechts (X) und vom Bediener weg (Y) sind positive Werte. Üblicherweise sollten die XY-Werkstück-Koordinaten also nicht negativ und nicht größer als die Werkstück-Abmessungen werden, dann ist sichergestellt, dass das Werkzeug nicht eine Halterung oder ein Spannmittel rammt.
Z wie zweifelhaft
Leider gibt es bei der Benennung der Z-Koordinaten wieder Zweifel und Zwietracht: Die meisten Maschinen verwenden positive Werte oberhalb der Werkstückoberfläche (wie in einem kartesischen Koordinatensystem), das heißt, negative Z-Werte lassen das Werkzeug in das Material eindringen. Bei anderen liegen die positiven Werte im Werkstück, negative darüber.
In einigen Branchen, zum Beispiel bei der Holzbearbeitung, liegt der Z-Nullpunkt gar auf dem Maschinentisch, nicht oben auf dem Werkstück. Lassen Sie sich davon nicht beirren – im Folgenden nehmen wir (wie für kleine CNC-„Käsefräsen“ üblich) den Z-Nullpunkt auf der Werkstückoberfläche und die Richtung „positives Z zeigt nach oben“ an.
Natürlich wissen wir nicht, wie Ihre CNC-Steuerung im Einzelnen funktioniert, die grundsätzliche Vorgehensweise ist aber immer die Gleiche: Fräsprogramm erstellen, Einspannen des Werkstücks, Bestimmen des Werkstück-Nullpunkts und Abfahren des Fräsprogramms.
Reine CNC-Steuerungen verlangen sogenannte DIN- oder G-Code-Dateien, ebenso die vielen G-Code-Player der 3D-Druck- und Robotik-Szene. Der Weg von einer technischen Zeichnung zu einer G-Code-Datei muss zwangsläufig den Umweg über ein Zusatzprogramm (CAM) nehmen, das die Zeichnungsvektoren in G-Code-Maschinenbefehle umsetzt. Das CAM-Programm legt fest, wie tief jeder einzelne Fräsweg in das Werkstück eindringt und um welchen Betrag die zugehörigen Vektoren versetzt werden müssen – denn nur bei Gravuren und Bohrungen entspricht der Werkzeugweg auch den Zeichnungsvektoren oder -punkten. Will man dagegen einen Ausschnitt für ein Display oder eine so genannte „Tasche“ (flächig ausgefräste Vertiefung) mit festgelegten Innenabmessungen fräsen, muss man das Polygon um den halben Werkzeugdurchmesser nach innen versetzen. Nur bei sehr einfachen Formen kann man das durch Anlegen von Fräswegen direkt im Zeichenprogramm von Hand erledigen. Automatisch geht es besser: Dafür reicht bei zweidimensionalen Objekten unser kostenloses Programm GRBLize, das Vektor-Zeichnungen sehr komfortabel in G-Codes umsetzt, mit denen es eine Schrittmotorsteuerung wie GRBL (c't Hacks 4/2014) direkt ansteuert. Außerdem bietet es eine inzwischen sehr brauchbare 3D-Simulation des Fräsweges; Fehler in einer importierten G-Code-Datei lassen sich ohne Gefahr in der Simulation ausmachen. Eine genaue Beschreibung von GRBLize finden Sie in Ausgabe 4/2014; es sind inzwischen aber einige Funktionen hinzugekommen wie die Unterstützung von GRBL 0.9 und die Abfrage von Z-Werkzeuglängen-Tastern.
Anhand eines einfachen Beispiels wollen wir den kompletten Produktionsablauf zeigen. Als Vorlage nehmen wir ein Teil eines Quadrocopter-Skeletts, das aus CFK (kohlefaserverstärkter Kunststoff) gefertigt werden soll – aus Stabilitäts- und Gewichtsgründen. CFK lässt sich nicht lasern und nur mühsam von Hand bearbeiten.
Angesichts des Materialpreises ist es unbedingt empfehlenswert, zunächst ein „Opferholz“ zu fräsen und das eigentliche Werkstück erst nach sorgfältiger Kontrolle der Maße und Frästiefen einzuspannen. Die Job-Parameter wie Vorschub und Einstechgeschwindigkeit muss man natürlich an einem CFK-Abfallstück ermitteln; für den Anfang sollte man nicht über 1 mm Zustellung (Eindringtiefe) und 400 mm/s Vorschub gehen.
Dieses Material ist nicht nur bezüglich des Werkzeugs (es eignen sich nur diamantbeschichtete, spiralverzahnte Fräser wie für die Platinenbearbeitung) anspruchsvoll, es entwickelt auch unangenehme Stäube, die verschütteten Laserdrucker-Toner ähneln. Wer hat, sollte eine Minimalmengen-Sprühkühlung mit Wasser als Kühlmittel einsetzen, die den Staub bindet. Ansonsten folgt man dem Fräser mit dem Staubsauger-Rüssel – wobei nicht jeder Staubsauger die mikrofeinen Partikel wirkungsvoll zurückhält.
