Meine MPCNC - Die CNC-Fräse aus dem 3D-Drucker - Teil 1

Für meine geplante Fräse aus Holz / Alu-Profilen hatte ich schon diverse Teile besorgt: u.a. eine Frässpindel (Kress), Schrittmotoren, Steuerung, Linearlager, Z-Achse etc.

Anfangs hatte ich bzgl. der MPCNC überlegt, einige der schon angeschafften Teile hierfür zu verwenden. Letztendlich kam ich aber zum Entschluß, erstmal eine kleine / handliche CNC wie im INet beschrieben zu bauen und mich ganz nah an die Vorgaben zu halten.

Für die Materialien, die ich zunächst fräsen möchte (Sperrholz, MDF, Plexiglas), sollte die kleine Fräse ausreichen.

"Erfinder" der MPCNC (Mostly Printed CNC) ist v1engineering. Auf diesen Seiten werden die Fräse und auch andere Varianten vorgestellt, diskutiert und im Shop kann man Teile und Zubehör kaufen.

Auf die MPCNC aufmerksam geworden bin ich über dieses sehr interessante Video von Uncle Phil. Im Kanal gibt es auch noch weitere informative Videos rund um die MPCNC.

Dass ich nicht der Erste bin, der so ein Vorhaben verwirklicht hat, zeigt diese Sammlung.

Für die Festlegung der Größe der MPCNC gibt es im Internet sogar einen Rechner. Den habe ich allerdings nicht benutzt.

Da die Fräse in meinem Werkstattschrank verstaut werden können muß, der 700mm tief ist, durfte sie auch nicht größer / tiefer sein. Deshalb habe ich dieses Maß als Länge der X- und Y-Achsen festgelegt und die Edelstahlrohre entsprechend bestellt.

In diversen Foren werden Bedenken geäußert, ob eine Fräse mit ungestützen Führungen genau ist, weil die Rohre auf denen die Wagen laufen, schon durch ihr Eigengewicht bzw. das des Fräsmotors durchhängen werden. Besitzer der MPCNC habe das allerdings nicht bestätigt. Ausserdem wird es bei meinen kleineren Vorhaben nur auf mm-Genauigkeit ankommen und das Problem bei 650mm Maximalspannweite hoffentlich zu vernachlässigen sein.

Im Zweifel kann ich die X- und Y-Achsen noch nachträglich mittig durch Beinchen stützen.

Die meisten Teile habe ich online geordert.

Rahmen, bestehend aus Edelstahlrohren 25x2mm:

PLA (das Druckmaterial) hatte ich noch genügend in diversen Farben vorrätig und habe schwarz, rot und gelb gewählt. Laut Beschreibung sind 1,8 kg Filament notwendig, was knapp 2 Rollen sind.

Die Vorlagen für die Druckteile habe ich bei thingiverse.com runtergeladen.

Wieviel Stück man von jeder Sorte drucken muß, steht hier nochmal ausführlich incl. der Angaben zum Infill (% der Füllung).

Damit ich kein Teil vergesse zu drucken, habe ich mir eine kleine Excel-Liste angelegt, hier alle gedruckten Teile abgehakt und die Druckzeiten mitgeschrieben.

Die .stl-Dateien aller Teile habe ich in meinen Slicer geladen (das Programm, mit dem die Drucke vorbereitet werden), den GCode exportiert und mein Drucker hat alle Teile brav und in super Qualität ausgedruckt.

Es gibt 3 Varianten der Pläne. Ich habe die F-Version gewählt, für Rohre mit 25mm Durchmesser.

Als Check, damit man nicht aus Versehen ein für eine andere Rohrversion vorgesehenes Teil ausdruckt, haben alle F-Drucke ein aufgedrucktes "F" auf der Aussenhaut, das man auch im Slicer sieht. - Toller Service! - Bild 01

Laut Web-Seite soll der Druck aller Teile rund 115 Stunden dauern. Diesen Wert habe ich übererfüllt! Der komplette Druck hat bei mir ca. 185 Stunden gedauert.

Die Druckzeit hängt natürlich u.a. vom Infill und der Schichthöhe (Layer) ab. Ich habe jeweils mit dem empfohlenen Infill bzw. 5% mehr und einem Layer von 0,15 gedruckt, bin aber zwischendurch auf 0,20 hochgegangen, um die Druckzeit zu verkürzen. Der Druck eines Laufwagens (Roller) hat dann nur 10 Stunden gedauert, statt 30.

Als Fill-Pattern hatte ich anfangs 'Gyroid' gewählt, für die Aussenhaut 'Concentric'.
Da 'Gyroid' sehr zeitintensiv beim Drucken ist, habe ich später mit 'Rectilinear' gearbeitet. Für die Festigkeit der Drucke ist das nicht nachteilig.

Die Fotos / Screenshots zeigen, welche Teile notwendig sind und ausgedruckt wurden. Auf eine Übersetzung der einzelnen Bezeichnungen verzichte ich hier; mir ist die korrekte Übersetzung ohnehin nicht immer bekannt.

Bzgl. Roller_Plate (Bild 19 - 20) habe ich schon eine neuere Variante ausgedruckt, an der Endschalter befestigt werden können. Die wirken dann im Zusammenspiel mit je einem Stop_Block, der auf den Zahnriemen aufgesteckt wird (Bild 29 - 30).

Endschalter habe ich noch nicht verbaut. Das hole ich vielleicht noch nach.

Warum ein XY-Teil (Bild 36) zweifarbig gedruckt wurde, steht in Schritt 4.

Als ich den Druck des ersten XY-Teils, der 11 Stunden gedauert hat, startete, habe ich mich wohl bzgl. des noch vorhandenen gelben Filaments auf der Rolle verschätzt. Der Druck lief über Nacht und als ich früh den Zwischenstand checkte, stellte ich fest, dass das Filament auf der Rolle wohl nicht reichen würde.

Mein Drucker hat eine automatische Filament-Erkennung, die erkennt, ob Filament anliegt oder nicht. Soweit wollte ich es aber nicht kommen lassen und habe im laufenden Betrieb das Filament gewechselt.

Dafür gibt es einen Menüpunkt im Druckermenü. Der Drucker hält an, wirft auf Knopfdruck das alte Filament aus und zieht auf weiteren Knopfdruck das neue ein, um dann weiterzumachen, als wäre nix gewesen.

Dass ich leider kein gelbes Filament mehr hatte, sondern mit rotem weitergedruckt habe, ist nur ein Schönheitsfehler bzw. macht meine Fräse jetzt einzigartig!

Diese Option ergibt neue ungeahnte Möglichkeiten, denn so ist mit etwas Handarbeit auch Mehrfarbdruck möglich.

Damit ich später behaupten kann, ich hätte auch bei der Erstellung meiner Fräse kreativ mitgemacht, habe ich noch "Rohrpfropfen" konstruiert und gedruckt.

Die Kabel werden durch die Rohre geführt. Die Rohre sind an den Schnittkanten aber teils sehr scharfkantig, sodass man die Kabel bei der Montage / Betrieb beschädigen könnte.

Uncle Phil meinte, dass man die Rohre entgraten soll. Darauf hatte ich keine richtige Lust und habe statt dessen die Rohrpfropfen auf die Rohrenden gesteckt. Sieht gut aus und spart das Entgraten.

Die verwendeten Edelstahl-Rohre haben das Maß 25x2mm, also einen Innendurchmesser von 21mm. Das wäre dann der Aussendurchmesser des Stopfens. Die Seitenwände des Stopfens sind 2mm dick und geschlitzt, damit sich der Stopfen besser in das Rohr drücken läßt, falls es Unebenheiten im Rohr geben sollte.

Als Abschluß habe ich außen noch einen Kragen konstruiert.

Durchmesser: 25mm, Höhe: 3mm 

Druckdaten

Infill: 20%

Pattern: Rectilinear

Aussenhaut: Concentric

Druckzeit: 20 min

Material: PLA, gelb

Insgesamt waren 12 Stück zu drucken.

Als ich mit dem Druck der Teile auf die Zielgerade kam, fing ich an mir Gedanken zu machen, wie ich den Fräsmotor eigentlich am Fräsgestell befestigen kann.

Meine Kress hat einen Eurohals (43mm), aber eine Halterung mit 43mm Klemmung war mir beim Drucken noch nicht begegnet.

Auf thingiverse bin ich aber nach einigem Suchen fündig geworden. Hier gab's genau das, was ich suchte: Eine Werkzeugaufnahme für die Kress FME 1050, die sogar noch einen optionalen Bürstenschuh hätte und zwar zum Anbringen per Magneten.

Sowas hatte ich mir auch vorgestellt und eigentlich schon angefangen zu planen.

Mein Problem war aber, dass ich nicht genau wußte, wie ich das von mir geplante Teil an der Werkzeugaufnahme (Tool_Mount) befestige, denn die Schraublöcher sind in einem leider nicht dokumentieren Winkel positioniert. Diese Arbeit war mir nun abgenommen worden.

Die 3 Teile für die Befestigung der Kress habe ich ausgedruckt. Den per Magneten anklipsbaren Bürstenschuh habe ich erstmal weglassen, denn meiner sollte wie bei der Vorlage durchsichtig sein, also aus Plexiglas und das fräst man ja am Besten mit einer CNC, die ich noch nicht hatte.

Ausserdem wollte ich eine Türbürstendichtung verwenden, für deren Befestigung noch eine Nut in den Bürstenschuh gefräst werden müßte.

Also habe ich nur die 3 Teile der Werkzeughalterung gedruckt (Bild 03 - 04).

Als Material wollte ich erstmalig PETG verwendet, weil bei der Teilbeschreibung vermerkt war, dass die Kress relativ heiß werden kann und PLA bei ca. 70 Grad sein Formstabilität verliert.

Deshalb wollte ich hier auf Nummer Sicher gehen, habe eine Rolle PETG geordert (schwarz) und als sie geliefert wurde, festgestellt, dass das Filament den falschen Durchmesser hatte: 2,85 statt 1,75 - War meine Schuld - falsch bestellt!

Um am Wochenende weiterbauen zu können, wurde der Halter zunächst mit PLA ausgedruckt. Das PETG-Modell drucke ich dann, wenn es in den Testbetrieb geht.

Nach dem Druck habe ich noch kurz gecheckt, ob die ausgedruckten Teile auch zusammen passen, Bild 05. Hat alles wunderbar gepaßt und hätte ich selber zeichnerisch nur mit sehr viel Aufwand hinbekommen. - Und Bohrungen zur Befestigung eines Bürstenschuhs hat das untere Teil des Werkzeughalters auch schon.

Vom Zusammenbau gibt es hier ein Zeitraffer-Video (stammt nicht von mir) oder hier die Original-Anleitung. Angesichts der vielen Einzelteile war das Video für mich sehr hilfreich und ich habe die Teile nach dieser Vorlage zusammengebaut und dabei das Video immer wieder angehalten, um zu checken, ob ich alles richtig mache.

Beim Zusammenbau habe ich einen IXO und die Schrauben abschliessend per Hand handfest gezogen. Mein größte Befürchtung war, dass ich irgendeine der gefühlt 500 Schrauben mit einem Schrauber zu fest anziehe und dann ein Druckteil bricht, womit dann bis zu 10 Stunden Druckzeit hin gewesen wären.

Benutzes Werkzeug:

13er Ring-, Maul- und Steckschlüssel (mit Ratsche)

3er Inbus-Bit auf Schraubendreher

Schraubendreher mit Kreuzschlitz und Schlitz

Spitzzange

IXO V und Akku-Schrauber mit Drehmoment-Einstellung

Da im Video / auf der Homepage alles vorbildlich gezeigt wird, habe ich mir eine zeitliche Beschreibung des Zusammenbaus gespart und zeige nur ein paar Impressionen von der Montage meiner Fräse incl. ein paar Erklärungen.

Bild 01: Gedruckte Einzelteile. Insgesamt 59 (incl. Rohrstopfen). Auf dem Foto fehlt noch das zweite XY-Teil, das gerade noch gedruckt wurde. Die Kleinteile liegen in der Box oben links.

Bild 02: Notwendige Schrauben, Muttern und Kugellager.

Bild 03: Edelstahlrohre plus Kabel

Bild 04 - 06: Montage der 4 Füße
War etwas tricky, da man die M4-Sicherungsmuttern beim Verschrauben festhalten muß, aber eigentlich nicht rankommt. Ging dann nur irgendwie mit einem eingeklemmten Schlitzschraubendreher (Bild 05).
Die M4-Schrauben passen zwar in die Bohrungen, M3,5 wären aber wahrscheinlich auch einfacher zu montieren gewesen, denn die M4 haben sich mehr eingeschraubt als eingesteckt.

Bild 07-08: Montierte Roller (Laufwagen)

War im Gegensatz zur Montage der Füße sehr einfach. Der Wagen paßt und läuft auch auf dem Rohr.

Bild 09 - 11: Middle_Assembly (Mittelteil)

24 Kugellager, 25 Schrauben und Muttern plus 6 Druckteile irgendwie miteinander verschlungen und verschraubt. Es ist mir tatsächlich gelungen, diesen Teile-Haufen miteinander zu verschrauben. - Das Endergebnis sieht für mich aus wie eine Klauenhand eines Transformers.

Bei der Montage des Mittelteils ist zwingend darauf zu achten, die Schrauben wie erklärt, also auch von der richtigen Seite her, einzusetzen! Bei ein paar Schrauben habe ich das nicht beachtet und mußte das ganze Teil nochmal auseinanderbauen, um die Fehler beheben zu können.

Bild 01: Mittelteil mit Rohr. Hat nicht auf Anhieb gepaßt. Ich mußte vor dem Einsetzen des Rohres ein paar Kugellager wieder lockern und konnte dann erst die Rohre zum Test einschieben. Danach rollte alles.

Um das Mittelteil weiter komplettieren zu können, stand nun die Montage des Tool_Mounts an den beiden Rohren der Z-Achse an. Hier mußten in jedes der beiden Rohre 2 Löcher für M4-Schrauben gebohrt werden. Das habe ich mit meiner neuesten Errungenschaft - einer PBD40 - erledigt. Erste Bewährungsprobe sozusagen.

Als Schablone fungierte das gedruckte Tool_Mount.

Ich habe den Abstand der Bohrungen vom Rand gemessen - 2,3mm und 9,5mm und dann mit Permanentmarker Markierungen zum Bohren auf dem Rohr angezeichnet. Das Anvisieren der Bohrstellen ging mit der PBD ganz prima, das Bohren auch. Ich habe zunächst mit 3mm vorgebohrt und danach einen 5mm Bohrer gewählt. Beides mit Drehzahl 600 und Kühlung mit etwas Schneidöl, Bild 02 - 04.

Als nächstes sollte das Tool_Mount an den beiden Rohren der Z-Achse angeschraubt werden. Hierfür gibt es 2 Nut_Traps, die mit Muttern bestückt in die Rohre eingeschoben werden. Von aussen werden dann M4-Schrauben eingeschraubt. Bei Uncle Phil habe ich den Tipp gesehen, die Muttern mit Sekundenkeber einzukleben, damit sie beim Schrauben nicht aus den Vertiefungen fallen. - Finger zusammengeklebt habe ich zwar nicht, aber das Zeug was ich gekauft hatte, darf sich m.E. nicht Sekundenkleber nennen. Es hat nach 5 Minuten immernoch gesuppt und die Muttern haben nicht gehalten. Ich war drauf und dran, mir selber was zu konstruieren, das die Muttern ohne Kleber festhält und zu drucken. - Mit einer Seite hat das Verschrauben dann aber irgendwann funktioniert, mit der anderen Seite später auch, Bild 05 - 09.

Alternativ könnte auch dieses Teil funktionieren. Ich habe das aber zu spät gefunden.

Als Nächstes stand die erste Stellprobe auf der noch nicht passend gesägten Grundplatte an. Eine 22mm MPX-Platte (1000x900mm) hatte ich noch im Fundus. Die war genau richtig.

Mit der Stellprobe wollte ich ermitteln, wie groß die Platte dann letztendlich zugeschnitten werden muß und ob ich evtl. noch Edelstahlrohr kürzen muß.

1. Erkenntnis: Pech gehabt - Y-Achse zu lang!

Zudem wollte ich, um die Kabel besser führen zu können, Schleppketten verwenden. Die gekaufte Schleppkette ist 30mm breit und sollte auf einer Seite der X-Achse montiert werden (das zweite Kabel wird durch das Rohr an die Schleppkette herangeführt), was nochmal 30mm Kürzung der Y-Achse bedeutete.

Deshalb habe ich das Rohr der Y-Achse pauschal um 100mm mit dem Winkelschleifer verkürzt. Dazu habe ich am Rohr angezeichnet, wieviel abgeschnitten werden muß, dann ein Blatt Papier um das Rohr gewickelt und rundherum die Schnittstelle angezeichnet und dann das Stück mit dem Winkelschleifer abgetrennt.

Die beiden Rahmenrohre in Y-Richtung habe ich ebenfalls um 100mm gekürzt, damit sie nicht aus dem Rahmen herausragen

(Bild 02/03).

2. Erkenntnis: Ich habe zuviele Rohrpfropfen gedruckt!

Ich hatte 12, brauchte aber nur 4, da nur durch die beiden Rohre auf den Laufwagen aufliegenden Rohren, Kabel geführt werden. - Macht aber nichts, denn die Pfropfen sehen irgendwie stylisch aus.

Und so habe ich alle Rohrenden mit meinen Pfropfen bestückt und noch 4 weitere für die Rohre der Z-Achse gedruckt. Diese aber in rot, denn das gelbe Filament war ja alle, Bild 04.

Die beiden unteren Pfropfen für die Z-Achse mußte ich noch etwas beschneiden, weil die beim Einstecken in die Rohre mit dem eingeschobenen Gegenstücken für die Tool_Mount-Montage kollidierten, Bild 05 / 06.

Bei dieser Gelegenheit habe ich auch gleich noch den Werkzeughalter an der Z-Achse (Tool_Mount) montiert und geprüft, dass beim Bewegen der Achse nichts kollidiert und auch der Fräsmotor paßt. Alles fein, siehe Bild 07 / 08.

Im nächsten Schritt habe ich die 4 Laufwagen und das Mittelteil auf die jeweiligen Rohre gesteckt und die Schrauben mit den Kugellagern soweit gelockert, dass alles sehr leicht gleitete.

Jetzt habe ich die Grundplatte auf 900mm x 700mm zurecht gesägt, da ja nun klar war, dass 700mm in der Tiefe reichen würden.
Ich habe sie allerdings etwas breiter als notwendig gemacht, denn Steuerung, Netzteil und eine weitere Schleppkette müssen auch noch ausserhalb der Fräse montiert werden.

Danach ging es an die Endmontage des Fräsgestells.

Mein Vorgehen:

... und dabei immer wieder checken, ob noch alles leicht läuft ... danach

D.h. Werkstücke dieser Größe können in einer Frässession bearbeitet werden. Da die Führungen freitragend sind, können allerdings auch größere Werkstücke in mehreren Sessions gefräst werden, wenn sie zwischen den Füßen durchpassen und die Schleppketten nicht stören.

An der Grundplatte habe ich das Gestell noch nicht verschraubt. Erstens muß ich es noch durch Haus transportieren. Und dann überlege ich noch eine Art Spannzange zu integrieren incl. einer noch zu fräsenden Öffnung in der Grundplatte, um auch Stirnseiten von längeren Werkstücken fräsen zu können, z.B. für Morseverbindungen.

Ein Video davon, wie ein erwachsener Mann gedankenverloren vor einem Edelstahl-Gestell sitzt und grinsend eine mittig eingespannte Fräsmotorhalterung hin- und hergleiten läßt, erspare ich Euch.

Wieviel Filament ich benötigt habe, weiß ich nicht genau, da ich 3 Farben von mehreren teilweise schon angefangenen Rollen verwendet habe. Knapp 2kg wird aber insgesamt hinkommen. Kosten somit ca. 40 Euro.

Die gekauften Teile (Rohre, Schrauben, Kugellager, Kabel, Elektronik etc.) inkl. MPX-Platte haben rund 300 Euro gekostet. Von Schrauben und Kugellagern habe ich aber mehr als benötigt gekauft, da die Preise bei 100er-Stückelung deutlich besser waren, als beim Einzelkauf.

Dazu kommen noch die Lizenzkosten für die Software von 49,00 Euro und 30 Euro für ca. 3m Energieketten, die ich bei Kleinanzeigen günstig geschossen habe.

Insgesamt kostet alles zusammen ohne Fräsmotor ca. 420 Euro. Das ist für eine CNC-Fräse im Vergleich zu Kaufversionen ein sehr guter Preis!

Als Fräsmotor werde ich die schon vorhandene Kress 1050 FME-1 einsetzen. Im Internet habe ich allerdings auch schon Beispiele mit der deutlich preiswerteren Katsu gesehen, die ich auch besitze.

Die Projektdauer bestimmt sich maßgeblich durch die Druckzeit der Teile, wenn man selber druckt. Wie geschrieben hat alleine der Druck ca. 185 Stunden gedauert, was aber auch an meinen anfänglich "großzügigeren" Einstellungen lag. 115 Stunden - wie angegeben - halte bei den richtigen / sparsamen Einstellungen durchaus für realistisch.

Wenn man die Teile im Shop bestellt, entfällt natürlich die Druckzeit.

Für die Montage und Justage habe ich mir dann auch noch Zeit genommen; um alles richtig zu verstehen und damit hinterher die Fräse sehr leicht läuft.

Im hier gezeigten Teilprojekt habe ich den Druck der Teile und die Montage der Fräse beschrieben.

Der Zusammenbau an sich ist auf vielen Seiten / in vielen Videos sehr gut dargestellt.
Meine Einschätzung der Teile beim Zusammenbau reicht von "WOW! Paßt perfekt" bis "Mmh ... was hat man sich hier gedacht?". Einerseits gibt es Teile, wo der Schraubenkopf paßgenau einrastet und man die Mutter mit Steckschlüssel und Ratsche festziehen kann; bei anderen Teilen muß man das Montieren aber mit einer Spitzzange und einem Maulschlüssel erledigen oder irgendwie einen Schlitzschraubendreher klemmen, damit man die Muttern beim Anschrauben fixieren kann.

Manche Schrauben (z.B. die M4x20 zur Montage der Motorhalterung auf den Laufwagen) waren auch etwas lang, sodass ich noch Unterlegscheiben und Federringe verwendet habe.

Die Druckteile werden allerdings vom Erfinder immer wieder mal angepaßt und optimiert, so dass hier auch mit Verbesserungen zu rechnen ist. - In meiner Version gibt es z.B. keine Riemanspanner mehr, die im Montagevideo von Uncle Phil noch besprochen werden. Bei meiner Version werden die Riemen mit Kabelbindern montiert und gespannt.

Jetzt fehlt natürlich noch

Geplant ist als erstes einen Bürstenschuh aus Plexiglas zu fräsen, an den ein Staubsauger angeschlossen werden kann. Das kann ich dann hoffentlich schon im zweiten Teilprojekt dieser Projekt-Triologie zeigen.

Ob eine Umhausung als weiterer Staubschutz notwendig ist, werde ich dann sehen.