CNC-Fräsen ist manueller als Sie denken

May 23, 2023

Ich war zur Hackaday-Superkonferenz in Pasadena, Kalifornien, und konnte etwas Zeit im Supplyframe Design Lab verbringen. Der leitende Ingenieur Dan Hienzsch sagte, ich hätte ein paar Stunden Zeit und fragte mich, was ich machen wollte. Die Einschränkungen bestanden darin, dass es klein genug sein musste, um ins aufgegebene Gepäck zu passen, aber auch cool genug sein musste, um Dans Zeit in Anspruch zu nehmen, mit Bonuspunkten für das Erlernen einiger neuer Fähigkeiten. Ich habe zu Hause eine anständige Holzwerkstatt, und obwohl meine 3D-Druckerfarm nicht so professionell ist wie die des Design Labs, kenne ich mich damit aus. Dies ließ eine offensichtliche Wahl: etwas Jolly Wrencher auf der industriellen dreiachsigen CNC-Metallfräse von Tormach.

Eine CNC-Fräse ist ein großartiges Werkzeug, aber kein allwissender metallfressender Roboter, dem man einfach eine Designdatei übergeben kann. Wenn Sie dachten, dass Sie mit einer CNC-Fräse zu einem Metallzerspanungsmonster werden würden, für das keine Erfahrung erforderlich ist, dann haben Sie sich völlig getäuscht.

Natürlich ist die Maschine in der Lage, beliebige Formen mit einer Präzision zu schneiden, die von Hand äußerst anspruchsvoll wäre, aber das Geschick des Bedieners ist nicht weniger wichtig als bei einer manuellen Mühle, um sicherzustellen, dass nichts aus dem Ruder läuft. Dans gutes Urteilsvermögen, seine Erfahrung und sein Input waren bei jedem Schritt des Weges gefragt. Ehrlich gesagt war ich überrascht, wie ähnlich der gesamte Vorgang dem manuellen Fräsen war. Wenn Sie also wissen möchten, wie es ist, einem seriösen CNC-Fräser auf der Schulter zu sitzen, lesen Sie weiter!

Ich sagte: „Dan, lustiger Schraubenschlüssel aus Aluminium!“ und als ich am nächsten Morgen hereinkam, hatte er bereits heimlich hinter meinem Rücken gearbeitet. Die SVG-Datei, die er vom Wrencher hatte, bestand tatsächlich aus winzigen Liniensegmenten und nicht aus glatten Bézier-Kurven. Der Versuch, alle resultierenden winzig kleinen scharfen Ecken anzupassen, würde die CAD-Software (Fusion 360) überfordern. Stattdessen zeichnete Dan das Originalbild mit völlig neuen, glatten Kurven nach und kam zu etwas, das für mein Auge nicht vom Original zu unterscheiden war, aber für den Computer viel einfacher zu handhaben war.

Mit dem gewünschten Umrisssatz mussten wir unsere Werkzeuge auswählen. Hier gibt es einen Kompromiss zwischen der Genauigkeit der Eingabedatei und der Herstellung des Teils in kurzer Zeit. Wenn Dan einen zu großen Schneidkopf an der Mühle wählen würde, könnten die feinen Details nicht herausgeschnitten werden – insbesondere hätten die Schraubenschlüsselspitzen Innenecken, deren Schärfe durch den Durchmesser des Bohrers begrenzt sei. Das ganze Stück mit dem feinsten Kopf zu machen, würde besser aussehen, aber es würde ewig dauern. Daher besteht die übliche Strategie darin, einen groben Durchgang zu machen, um den größten Teil des Aluminiums herauszuschneiden, und dann mit dem kleineren Werkzeug feinere Durchgange zu machen. Aber wie groß ist groß und wie klein ist klein? Und reichen zwei Durchgänge aus, oder sollten wir auf drei umsteigen?

Letztendlich ist dies eine Entscheidung. Das Auswechseln der Werkzeugköpfe geht beim Tormach sehr schnell, geschieht aber nicht automatisch. Das bedeutete, dass wir genau zum richtigen Zeitpunkt da sein mussten, um sie auszutauschen. In diesem Sinne sind weniger Werkzeugwechsel besser als mehr. Dan wählte die Mühle der ersten Stufe so aus, dass sie genau zwischen die Augen des Schraubenschlüssels und die Schädelkante passte, aber er kümmerte sich nicht um die kleinen Details an den Spitzen der Schraubenschlüssel. Ein zweiter Durchgang mit einem feineren Werkzeug würde sie bewältigen. Ein letzter Durchgang mit einem Anfasbohrer wurde nur zur Veranschaulichung hinzugefügt: weil mir das Aussehen geschwungener, abgeschrägter Kanten gefällt und ich das noch nie so schön von Hand machen konnte.

Die CAM-Software wollte auch eine überwältigende Anzahl von Details über den eigentlichen Schnitt wissen, aber die meisten davon hatten aufgrund von Dans Erfahrung beim Schneiden von Aluminium mit diesen speziellen Werkzeugköpfen gute vorherige Werte. Dennoch stellte er unbekümmert die Vorschubgeschwindigkeit etwa auf das Doppelte ein, die wahrscheinlich sein sollte, und sagte, wir würden „mit dem Jog Wheel fahren“, um es richtig zu machen.

Noch bevor wir den großen roten Ein-Schalter der Maschine umgelegt hatten, hatte Dan bereits eine Reihe von Entscheidungen getroffen, die von seinem Wissen über die Software, die Maschine, die Werkzeuge und das Material, das wir schneiden, abhingen. Ein Neuling wie ich hätte das Spiel bereits verloren, verdammt noch mal.

Wir haben die CAM-Dateien hochgeladen und mit dem Aufwärmen und der Selbstschmierung des Tormach begonnen. Dan sorgte dafür, dass ein feiner Sprühflüssigkeitsnebel ausströmte, und dann machten wir uns auf die Suche nach Aluminiumstangenschrott. Der Schädel sollte etwa 4 Zoll (nennen wir 10 cm) im Quadrat groß sein, und die Werkstatt hatte etwas größeres Stangenmaterial, das nur noch zugeschnitten werden musste. Eine gute Schmierung und ein sauberes und scharfes Metallblatt an der Kappsäge machten die Arbeit mit einer dicken Aluminiumstange schnell, aber im Grunde war es so, als würde man es zu Hause mit etwas Schneidflüssigkeit und einer Bügelsäge machen. Nur schneller.

Das Stangenmaterial ist nicht unbedingt quadratisch und die Oberflächen sehen sowieso nicht gut aus. Nachdem die Mühle warmgelaufen war, setzte Dan den Schlagmesserkopf ein und wir richteten das Material ab. Obwohl er für die Schnitte die CNC-Fräse verwendete, war dies ein fast ausschließlich manueller Vorgang. Zuerst schnitt er eine Referenzkante ab, indem er immer tiefer vorging, bis er das gesamte ursprüngliche Metall entfernte. Dann drehte er es um und wiederholte den Vorgang. Mit zwei parallelen Kanten und quadratischen Blöcken mit hoher Präzision schnitt er die verbleibenden Flächen quadratisch zu. In allen Fällen handelte es sich um einen Vorgang, bei dem der Schlagschneider langsam abgesenkt wurde, bis er gerade den (geschätzten) höchsten Punkt an der Ortsbrust erreichte, und dann Schritt für Schritt nach unten gearbeitet wurde, bis alles glänzte. Wie viel abheben? Wie schnell füttern? Bedienererfahrung. CNC hilft Ihnen hier nicht weiter.

Am Ende maß unser Block 4,001 x 3,985 Zoll – nicht schlecht, aber ein etwas wackeliger erster Schnitt mit der Kappsäge führte dazu, dass wir an einer Kante zu viel abtragen mussten, um ihn sauber zu bekommen. Da es sich ohnehin um einen Briefbeschwerer handelt, kommt es nur darauf an, den Schraubenschlüssel in die Mitte zu bekommen. Geben Sie die Bedienererfahrung erneut ein. Dan hatte die CAM-Datei so eingerichtet, dass der Nullpunkt der Maschine im Totpunkt des Schraubenschlüsselkopfes lag. Das heißt, solange wir die CNC-Maschine auf die Mitte unseres Aluminiummaterials ausrichten könnten, müssten wir uns keine Sorgen über die lästigen 0,015 Zoll (0,4 mm) machen, dass eine Seite kürzer ist als die andere – alles wird symmetrisch funktionieren von Entwurf.

Der Tormach verfügt über eine 3D-Distanzsondenspitze, was wahrscheinlich das Coolste ist, was ich je gesehen habe. Sie spannen es in die Maschine ein und es misst in der X-, Y- und Z-Achse. Dadurch war es ein Kinderspiel, die genaue Breite und Höhe des Stücks in allen Dimensionen zu ermitteln, und Dan konnte der Maschine mitteilen, wo sich die obere Oberfläche der Mitte unseres Stücks befand. Bisher lief alles zu 100 % manuell, aber jetzt, da die Maschine ausgerichtet ist, kann die CNC helfen.

Hat er beim Austauschen des ersten Schneidwerkzeugs einfach die Play-Taste gedrückt? Na ja, irgendwie. Der Tormach verfügt über individuelle Geschwindigkeitsregler für Schnittgeschwindigkeit und Fahrgeschwindigkeit. Die erste Aufgabe bestand darin, unsere Nulleinstellung noch einmal zu überprüfen, indem wir den Fräser mit etwa 10 % Verfahrgeschwindigkeit und einer auf 0 % eingestellten Schnittvorschubgeschwindigkeit auf das Werkstück zubewegten. Dadurch konnten wir überprüfen, ob die Mühle genau dort angehalten hat, wo sie sollte. Wenn er einen Fehler gemacht hätte, hätte die Mühle in gefährlicher Tiefe oder mit wahnsinniger Vorschubgeschwindigkeit in das Metall eindringen können, was zu Bruchstücken oder Schlimmerem geführt hätte. Solche Gesundheitsprüfungen sind von entscheidender Bedeutung.

Dann erhöhte er langsam die Schnittvorschubgeschwindigkeit; Denken Sie daran, dass er die Vorschubgeschwindigkeit während der CAM-Phase absichtlich zu hoch eingestellt hatte. Wir sahen zu, wie sich die Mühle auf die richtige Schnitttiefe drehte und dann mit ihrem Muster begann. Er drehte den Vorschub langsam auf, bis er sich mit einer angemessenen Geschwindigkeit bewegte. Wie viel Material soll es pro Sekunde abheben? Genau wie bei einer manuellen Mühle ist es eine Frage der Erfahrung. Er lauschte der Maschine, beobachtete die wegfliegenden Späne und überprüfte die Schnittqualität während der gesamten Arbeit. Vollautomatische CNC? Das Gegenteil.

Der Schruppdurchgang war im Handumdrehen erledigt und wir tauschten das Werkzeug gegen den Detailfräser aus. Wieder wiederholten wir den gleichen Vorgang, bei dem wir das Werkzeug langsam bis zur Oberfläche des Aluminiums schleiften. Hat es dort aufgehört, wo es hingehört? Hat der Werkzeugkopf die Länge, die die Maschine annimmt? Bejahend für beides, aber es ist eine gute Überprüfung. Dann beschleunigte Dan die Maschine langsam wieder auf Betriebsgeschwindigkeit.

Wie jeder von Ihnen, der einen 3D-Drucker besitzt, weiß, ist es faszinierend, der Mühle bei ihrer Arbeit zuzusehen, und am Ende sah ich zu, wie Aluminiumspäne flogen, während ich draußen Kaffee hätte trinken können. Aber diese fünfzehn Minuten voller Automatisierung waren viel zu schnell vorbei. Ein weiterer Werkzeugwechsel zum Anfasbohrer und noch ein paar Minuten Maschinenzeit und der Jolly Briefbeschwerer war fertig. Die Wirbel in der Mitte der Rillen der Mühle lassen sie fast wie einen Zuckerschädel aussehen. Es war herrlich!

Natürlich war der Aluminium Wrencher ein schnelles, einmaliges Projekt. Wenn wir diese in Vielfachen produzieren würden, würden wir die idealen Vorschubgeschwindigkeiten aufschreiben und möglicherweise das manuelle Jog-Wheel für die nächsten Iterationen überspringen. Aber alles in allem war in 60 % der Fälle eine ziemlich starke Beteiligung und Beurteilung durch den Bediener erforderlich. Das Planen der Arbeit, das Ausrichten des Rohlings und sogar das Führen der Maschine durch die Schritte, die sie bereits „kannte“, erforderte einen Bediener, der mit der Bearbeitung aus manueller Sicht vertraut ist und der bei der Planung der Gegenwart über die nächsten Schritte nachdenken konnte.

Während traditionelle Metallarbeiter vielleicht mitten in der Nacht aufwachen und sich darüber ärgern, dass die Roboter ihnen die Arbeit abnehmen, und das trifft vielleicht auf die Massenproduktion zu, ist es sicher nicht so, dass jemand, der noch nie Erfahrung in der Metallbearbeitung hatte, einfach auf einen zulaufen kann Um eines dieser CNC-Wunder zu sehen, geben Sie ihm ein Bild und drücken Sie die Wiedergabetaste. Nachdem ich gesehen habe, wie Dan und der Tormach mir einen Schraubenschlüssel geschnitten haben, würde ich sagen, dass das Erlernen der Grundlagen einer manuellen Mühle nicht ausreicht, um ein Meister der CNC zu werden, aber es ist absolut notwendig.

Aber ich bin nur ein CNC-Fräs-Neuling. Was sagt ihr? Wie viele Ihrer Tricks in der manuellen Metallbearbeitung werden auf die CNC-Welt übertragen?

Vielen Dank an Dan und alle im Design Lab für Ihre Gastfreundschaft!