Bouw een 3D-geprinte CNC-router:0,05 mm nauwkeurigheid op metaal en hout – Stapsgewijze handleiding

In deze zelfstudie leren we hoe u een CNC-machine kunt bouwen met een stapsgewijze handleiding, zodat u er eenvoudig zelf een kunt bouwen. 

Dit is een volledig 3D-geprinte CNC-machine of een CNC-router die ik heb ontworpen met twee specifieke doelen in gedachten:zo stijf mogelijk zijn en zo eenvoudig mogelijk te bouwen.

Overzicht

De stijfheid heeft een directe invloed op de prestaties van de machine en naast het graveren en snijden van hout wilde ik dat deze CNC-router ook aluminium kon graveren en snijden. Het bleek dat hij dat met een gerust hart kon doen.

Hier is een voorbeeld van het bewerken van een propeller uit aluminium. Met slechts een klein beetje schuren is het afgewerkte propelleroppervlak superglad geworden.

Ik heb ook een aantal nauwkeurigheidstesten gedaan door verschillende vormen uit aluminium te snijden. Als we de juiste voedingen en snelheden gebruiken, kunnen we de aluminium onderdelen binnen een nauwkeurigheid van 0,05 mm krijgen.

Ik denk dat dat een nauwkeurigheid van de afdaling is, aangezien het een 3D-geprinte CNC-machine is, die een trimmer-router gebruikt, en een Arduino UNO en GRBL voor de bewegingsbesturing. 

Aluminium graveren is een fluitje van een cent. Ik heb een paar sleutelhangers gegraveerd met heel kleine details van minder dan 1 mm, en ze zijn geweldig geworden.

Ik heb ook geprobeerd messing te graveren, wat ook geweldig bleek.

Model van Etsy

Deze 3D-geprinte CNC-router kan zelfs staal snijden.

Mijn tweede doel voor deze CNC-machine was om zo eenvoudig mogelijk te bouwen, wat betekende dat ik geen elektrisch gereedschap wilde gebruiken om de machine te maken, geen aluminium profielen wilde zagen met een zaag, niet boren, niet tikken.... Niets.

Letterlijk, je kunt deze CNC-machine bouwen met slechts een set inbussleutels, omdat ik hem speciaal heb ontworpen om alleen standaardcomponenten te gebruiken die gemakkelijk verkrijgbaar zijn bij sites als Amazon, AliExpress of een andere winkel naar keuze. Het is dus bijna een doe-het-zelfpakket dat je alleen maar in elkaar hoeft te zetten. Hieronder vindt u de volledige lijst met componenten die nodig zijn voor deze CNC-bouw.

Hoewel (er is natuurlijk een voorbehoud) heb je een 3D-printer nodig om deze CNC-machine te maken, maar ik denk niet dat dit erg is, want als je er geen hebt, zijn er tegenwoordig zoveel 3D-printservices waar je gemakkelijk de 3D-geprinte onderdelen voor kunt krijgen.

Ik noem het een volledig 3D-geprinte CNC-machine, omdat de gehele CNC-structuur is gebaseerd op 3D-geprinte onderdelen, inclusief de X- en Z-asplaten, de freesbevestiging en zelfs de kogellagerblokken zijn 3D-geprint.

Het ontwerp is geoptimaliseerd om optimaal te profiteren van het feit dat we complexe onderdelen eenvoudig kunnen printen met een 3D-printer. In combinatie met enkele aluminium extrusies van 20 x 40 mm, lineaire rails van 15 mm en kogelomloopspindels van 16 mm, denk ik dat ik er behoorlijke prestaties uit heb weten te halen. Het is in staat om zelfs precisieonderdelen uit aluminium te graveren, en de houtprojecten zijn een fluitje van een cent; hij kan gemakkelijk elk hardhout zagen en de houtgravures zijn gewoon perfect. Kijk maar eens naar dit 3D-reliëf van 340x340 mm in beukenhout. Het ziet er prachtig uit.

Het werkgebied is 450 x 350 x 110 mm, maar het leukste is dat we deze CNC-machine eenvoudig kunnen schalen.

We kunnen eenvoudigweg langere componenten gebruiken voor sommige aluminium extrusies, de lineaire rails en de kogelomloopspindels, en we krijgen meteen een groter werkgebied, terwijl alle andere componenten en het assemblageproces zelf hetzelfde blijven.

Hieronder vindt u details over welke componenten het werkgebied van de machine bepalen, zodat u het gewenste werkgebied kunt verkrijgen door de juiste componenten te kiezen.

Gerelateerde projecten:

3D-model- en STL-downloadbestanden

U kunt het 3D-model van deze DIY CNC-machine rechtstreeks in uw webbrowser bekijken met Onshape.

U kunt het 3D-model van deze doe-het-zelf CNC-machine, evenals de STL-bestanden voor 3D-printen, verkrijgen bij Cults3D.

Stuklijst

Hieronder vindt u de volledige lijst met componenten die nodig zijn voor deze DIY CNC-bouw.

De opgegeven afmetingen zijn voor exact dezelfde afmetingen als de CNC die ik heb gedemonstreerd met een werkoppervlak van 450 x 350 mm.

Component Aantal Kooplinks Aluminium extrusie 2080 – 600 mm
(Y-as, aangepaste lengte)2Amazon | AliExpress Aluminium extrusie 2040 – 600 mm
(X-asbasis, aangepaste lengte)3Amazon | AliExpress Aluminium extrusie 2040 – 700 mm
(X-as portaal, aangepaste lengte)2Amazon | AliExpress Aluminium extrusie 2040 – 200 mm2Amazon | AliExpress Aluminium extrusie 2040 – 100 mm2Amazon | AliExpress Lineaire rail HGR15 – 600 mm
(Y-as, aangepaste lengte) en (X-as, aangepaste lengte)4Amazon | AliExpress Lineaire rail HGR15 – 300 mm (Z-as)2Amazon | AliExpress Kogelomloopspindel SFU1605 – 500 mm
(Y-as, aangepaste lengte)2Amazon | AliExpress Kogelomloopspindel SFU1605 – 600 mm
(X-as, aangepaste lengte)1Amazon | AliExpress Kogelomloopspindel SFU1605 – 300 mm (Z-as)1Amazon | AliExpress Askoppeling 8 mm tot 10 mm4Amazon |AliExpress Hoekcontactlagers – 7001 P5-DB A-paar (4 paar) Amazon | AliExpress M12x1mm Borgmoer4Amazon | AliExpress Radiaal kogellager – 6000 – 2RS 4Amazon | AliExpress Hoekbeugel 28x20x28mm
(met geschikte T-gleufmoeren en M5-bouten)18Amazon | AliExpress Hoekbeugel 20x20x20mm
(met geschikte T-gleufmoeren en M5-bouten)8Amazon | AliExpress M5 Glijdende T-moer 100Amazon | AliExpress M5 Hamerkop T-moer 100Amazon | AliExpress M4 Glijdende T-moer 50Amazon | AliExpress M4 Hamerkop T-moer 50Amazon | AliExpress Stappenmotor NEMA23 4Amazon | AliExpress Bouten Inbuskop
M3x12mm – 10
M3x16mm – 5
M3x30mm – 5
M4x10mm – 5
M4x12mm – 5
M4x14mm – 60
M4x25mm – 10
M5x12mm – 50
M5x16mm – 40
M5x20mm – 40
M5x30mm – 40
M5x50mm – 25
M5x60mm – 35
M5x70mm – 5 /Amazone | AliExpress

Openbaarmaking:dit zijn affiliatielinks. Als Amazon Associate verdien ik aan in aanmerking komende aankopen.

De CNC schalen – aangepaste grootte van het werkgebied

Als u het werkgebied van de CNC wilt vergroten, kunt u eenvoudigweg de afmetingen van de aluminium extrusies, de lineaire rails en de kogelomloopspindels voor de specifieke as vergroten.

Om bijvoorbeeld het werkgebied in de Y-as te vergroten, van 450x350 mm naar 450x750 mm, moeten we de lengte van de aluminium extrusie van de Y-as, de lineaire rail en de kogelomloopspindel vergroten. Het verschil is 750-350=400 mm, dus we moeten 300 mm toevoegen aan de basislengtes van deze CNC-machine voor de Y-asonderdelen. Dat zou zijn:

• Aluminium extrusie 2080 – 600 mm + 400 mm =1000 mm
• Lineaire rail HGR15 – 600 mm + 400 mm =1000 mm
• Kogelschroef SFU1605 – 500 mm + 400 mm =900 mm

Hetzelfde principe wordt gebruikt voor het schalen van het werkgebied van de machine in de X-as. Hoewel er hier één verschil is, omdat we de portaalgrootte zouden vergroten, zouden we nog een vakwerkstructuurelement moeten toevoegen.

Schalen van het werkgebied van de CNC-machine in de Y-as

Houd er rekening mee dat het vergroten van de machine in de X-as of het portaal zou resulteren in een vermindering van de stijfheid van de hele machine, vergeleken met het vergroten van de machine in de Y-as, wat vrijwel geen invloed heeft op de stijfheid van de hele machine.

Montage

Je kunt de volgende video volgen voor een complete stapsgewijze handleiding voor het bouwen van deze DIY 3D-geprinte CNC-machine.

Elektronicaoverzicht

Ik besloot om deze CNC-bouwhandleiding op te splitsen en in mijn volgende video de elektronische onderdelen uit te leggen en hoe je de bedrading en de schakelkast van deze CNC-machine moet maken, en hoe je de machine moet instellen en je eerste sneden ermee moet maken. 

Heel snel:deze CNC-machine is gebaseerd op Arduino en GRBL. Ik gebruikte een Arduino UNO in combinatie met een CNC-schild om alles eenvoudig aan te sluiten en voor het aandrijven van de NEMA23 stappenmotoren gebruikte ik DM542 stappenmotoren.

De motion control-firmware is GRBL, en voor het besturen van de machine en het verzenden van G-codes ernaar heb ik de universele G-code-afzender gebruikt, deze zijn beide open source.

Ik bedoel, het hoeft geen Arduino en GRBL te zijn; we zouden elke andere CNC-controller met deze CNC-build kunnen gebruiken, zoals bijvoorbeeld LinuxCNC, grblHAL, Mach 3 of Mach 4 en andere. Deze combinatie van Arduino en GRBL is de eenvoudigste en goedkoopste optie voor een CNC-controller, maar mist natuurlijk enkele geavanceerde functies, zoals realtime besturing en betere configureerbaarheid. Als u het niet prettig vindt om de schakelkast zelf te maken, bestaan er kant-en-klare CNC-bedieningskasten, zelfs met de kabels voor de stappenmotoren meegeleverd.

Hoe dan ook, voor een gedetailleerde handleiding over hoe ik de schakelkast voor deze 3D-geprinte CNC-router heb gebouwd en hoe ik de GRBL instel en de machine bestuur, bekijk de volgende video. Er komt ook een aparte video waarin ik je laat zien hoe je het afvalbord en de stofschoen voor deze CNC-machine maakt, en waarin ik in detail uitleg hoe je aan de slag gaat en je eerste sneden maakt op de CNC-machine en hoe ik de demoprojecten heb gemaakt die we hier zien.

Voordat we deze tutorial beëindigen, wil ik je nog een paar dingen laten zien, of hoe stijf en nauwkeurig deze machine is, en hoeveel het kost om hem te bouwen. 

Stijfheid en nauwkeurigheid

Om de stijfheid van deze CNC-machine aan te tonen, heb ik een as van 6 mm op de frees geplaatst en met behulp van een meetklok meet ik hoeveel de machine zal doorbuigen als er kracht op wordt uitgeoefend. Ik gebruik daarvoor een krachtmeter en een meetklok.

De meetinstrumenten:
Krachtmeter:Amazon | AliExpress
Digitale meetklok:Amazon | AliExpress

Eerst test ik de stijfheid van de X-as. Bij een kracht van 50N buigt de vingerfrees ongeveer 0,16 mm door, of 0,24 mm bij een kracht van 70N. Aan de andere kant was de doorbuiging in de Y-as ongeveer 0,22 mm bij een kracht van 50N, en ongeveer 0,32 mm bij een kracht van 70N.

Dat is een iets slechter resultaat, maar het werd verwacht omdat dit een CNC-machine in portaalstijl is die doorgaans minder stijfheid heeft in de Y-as in vergelijking met de X-as. 

Wat de stijfheid van de Z-as betreft, heb ik een doorbuiging van ongeveer 0,18 mm bij een kracht van 50 N gemeten, en 0,25 mm bij een kracht van 70 N.

Deze stijfheid van de CNC-router resulteerde in een nauwkeurigheid binnen 0,06 mm bij het snijden van aluminium met de juiste voedingen en snelheden.

Dit testonderdeel heb ik gemaakt van aluminium met de volgende instellingen. Voor voorbewerken:4 mm DOC, 1,2 mm WOD en voedingssnelheid van 1200 mm/min. De offset bedroeg 0,3 mm. Vervolgens voor de laatste contourpassage 2 mm DOC met een voedingssnelheid van 500 mm/min. Ik heb het onderdeel gemeten met een digitale meetklok en alle vormen in alle richtingen waren binnen een nauwkeurigheid van 0,06 mm.

Ik zal het nog een keer zeggen; Ik denk dat dat een behoorlijk behoorlijk resultaat is, aangezien het een volledig 3D-geprinte CNC-router is, die een trimmerrouter gebruikt en een Arduino en GRBL voor de bewegingsbesturing.

Showcase

Hier zijn enkele van de projecten die ik met deze DIY-CNC-machine heb gemaakt.

• 3D-reliëf

Model van Etsy – Ram Head

• V-bit snijden en voorbewerken

Model van Etsy – Heart Box

• CNC-inlay

• Aluminiumgravure

• Messinggravure

Model van Etsy – Drakenkop

• Een propeller uit aluminium bewerken

Blijf echter op de hoogte, want er komt meer CNC-gerelateerde inhoud aan. Ik zal ook een Discord of iets soortgelijks maken voor iedereen om hun ervaringen met het bouwen van deze CNC-machine te delen en er een community omheen te maken voor het oplossen van problemen en het verbeteren van de machine.