Physik | Technik
Fabian Danner, 2002 | Sachseln, OW
Sei es bei der Fertigung einer Kunststoffspritzgussform, dem Fräsen eines Motorblocks oder beim Bau eines Flugzeugs, fast immer steht am Anfang des Herstellungsprozesses von Teilen eines neuen Produktes die Bearbeitung auf einer Fräsmaschine. Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine kostengünstige 5-Achs-Fräsmaschine im kleinen Format für den Hobbygebrauch selbst auszulegen, zu konstruieren und zu bauen. Die Ausgangslage bildet ein Pflichtenheft, in welchem die Anforderungen an die Konstruktion festgelegt sind. Mithilfe von Nutzwertanalysen und Materialtests werden die passenden Komponenten und Materialien ausgesucht. All diese Informationen fliessen in einem 3D-Modell im CAD Programm Fusion360 zusammen. Die fertige Konstruktion ist stabil, besteht aus einem schweren Mineralgussbett und verfügt über Komponenten aus Aluminium. Die Komponenten werden auf Linearführungen mithilfe von Servomotoren bewegt, was zu hohen Geschwindigkeiten beim Fräsen führt. Bei der Steuerung fällt der Entscheid auf die Open-source-Software LinuxCNC. Das Produkt erfüllt alle Anforderungen und erreicht eine Wiederholgenauigkeit von <0.05mm. Die Vorschubgeschwindigkeiten von bis zu 8'000 mm/min übertreffen sogar die Anforderungen.
Fragestellung
Kann aufgrund der Vorgaben aus dem Pflichtenheft eine kostengünstige und funktionierende 5-Achs Fräsmaschine hergestellt werden?
Methodik
Ein Pflichtenheft wird als Basis für die Herstellung der 5-Achs Fräsmaschine erstellt. Aus anfänglich mehreren Konzepten wird mithilfe einer Nutzwertanalyse das Optimale ausgewählt und zur finalen Version weiterentwickelt. Als ausschlaggebende Grösse bei der Auslegung wird die Schnittkraft verwendet. Diese wird anhand einer Modellrechnung bestimmt und zur Auslegung von Antriebssystemen von Linear- und Drehachsen weiterverwendet. Um das passende Material für das Maschinenbett zu eruieren, wird ein Material-Versuchsaufbau erstellt, mit welchem mehrere Materialien getestet werden. Parallel zur Auswahl der Komponenten wird das 3D-Modell im CAD-Programm Fusion360 entwickelt. Daraus können direkt auch die Konstruktions-Zeichnungen erstellt werden, welche für die Fertigung der Fräsmaschinen-Teile notwendig sind. Um die selbstkonstruierten Teile herzustellen, steht eine Werkstatt mit einer Eigenbau 3-Achsen Fräsmaschine zur Verfügung. Am Schluss wird eine Steuerung gesucht, welche auf die Maschine angepasst ist.
Ergebnisse
Aus den Versuchen sticht heraus, dass Mineralguss die beste Wahl für das Maschinenbett ist. Ein Vorteil dabei ist, dass eine simple Form aus Holz für die Herstellung verwendet werden kann. Neben dem Mineralgussbett besteht das endgültige Produkt aus diversen Strukturteilen hauptsächlich aus Aluminium. Somit entsteht eine stabile Fräsmaschine, welche der berechneten maximal resultierenden Kraft von 400N problemlos standhalten kann. Die gemessene Wiederholgenauigkeit liegt dank der präzisen und ruhig laufenden Servomotoren bei <0.05mm. Da sich Fusion360 in der Hobbywelt im CAD sowie auch im CAM Bereich durchgesetzt hat, wird ein Postprozessor von Fusion360 verwendet, welcher speziell für LinuxCNC konfiguriert ist. Die Steuerung der Fräsmaschine ist angepasst auf die spezifische Konstruktion der in dieser Arbeit behandelten Fräsmaschine und basiert auf LinuxCNC.
Diskussion
Das entstandene Produkt erfüllt alle Anforderungen, die durch das Pflichtenheft gegeben sind. Fräsversuche bestätigen, dass die angenommenen Schnittkräfte passend für die Auslegung der Antriebssysteme, Lager und anderen Komponenten sind. Das Antriebssystem der Drehachsen mittels Planetengetriebe ist in Hinsicht auf die vorherrschenden Kräfte ausreichend konzipiert, allerdings weisen die Getriebe ein grosses Spiel auf, was sich in der Qualität des gefrästen Werkstücks bemerkbar macht. Aus diesem Grund ist vorgesehen, in einer Weiterentwicklung die Planetengetriebe durch vorgespannte Schneckengetriebe zu ersetzen, welche das Spiel minimieren.
Schlussfolgerungen
Diese Arbeit zeigt, dass es möglich ist, eine preiswerte 5-Achsen-CNC-Fräsmaschine für den Hobbybereich zu konzipieren und zu bauen. Diese verfügt über ähnliche Funktionalität in den Bereichen Postprozessor, Steuerung oder Maschinenkomponenten wie ihre grösseren Vorbilder aus der Industrie, auch wenn in einigen Bereichen ein wenig vereinfacht.
Würdigung durch den Experten
Prof. Dr.-Ing. Albert Loichinger
Mit der Arbeit hat Herr Danner gezeigt, dass eine fundierte und doch pragmatische Vorgehensweise zu einer erfolgreichen Umsetzung führt. Mit seiner selbst erstellten 5-achsigen Fräsmaschine hat der Schüler ein komplexes Thema definiert und neben der Mechanik ebenso die Aspekte der Steuerung und Programmierung bewältigt. Seine wissenschaftliche Vorgehensweise zeigt er an der Verwendung von einem speziellen Werkstoff, zu dem er dann auch Grundlagenversuche zur Beurteilung des dynamischen Verhaltens durchgeführt hat. Damit hat er durchgehend sein Projekt erfolgreich und substanziell bearbeitet.
Prädikat:
hervorragend
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Kantonsschule Obwalden, Sarnen
Lehrer: Samuel Gamper