Mittlerweile habe ich die CNC Frästechnik in meinem "AW" eingeführt und nach langem Probieren auch erfolgreich eingesetzt. Tatsächlich musste ich eine steile Lernkurve in einigen unterschiedlichen Disziplinen durchlaufen, um Teile, ganze Fahrwerke und Modelle erfolgreich damit entstehen zu lassen. Dieser Artikel soll eine Übersicht darstellen, was alles dazugehört und wie die einzelnen Disziplinen miteinander verzahnt sind.

Später folgen andere, speziellere Themen  - auch gern auf Nachfrage, wenn es sie denn gibt. Sicher werden auch Berichte entstehen, wie das eine oder andere Modell entstanden ist und dann werde ich wohl auch mit Querverweisen auf die Fertigungstechnik einen Zusammenhang herstellen.

Die einzelnen dazu gehörenden Tätigkeiten sind:

1. Konstruktion in 2D/3D mit Hilfe einer CAD Software
2. Umsetzung der Konstruktion in Fahrwege der Fräse und Generieren des Maschinen-Codes mit Hilfe einer CAM Software
3. Ausführung des Maschinen-Codes mit Hilfe einer Software zur Maschinensteuerung
4. Einspannen in die Fräse - ein Kapitel für sich und irgendwie die "Königsdiziplin" 
5. Das Fräsen an sich...

Als einmalige Aufgabe steht natürlich am Anfang auch die Auswahl der passenden Maschine an. Dazu habe ich am Ende dieses Beitrags ein paar Gedanken zusammengetragen, die mir bei meiner Auswahl geholfen haben.

Es sei an dieser Stelle schon verraten: Alle Einzelaufgaben sind tatsächlich voneinander abhängig und eine erfolgreiche Ausführung hängt von der richtigen Zusammensetzung/Umsetzung aller Anteile ab. Das macht es eben leider etwas komplizierter und resultiert in einer längeren Übungszeit bis man die Technik insgesamt erfolgreich einsetzen kann. Ich hoffe, dass ich für Interessierte hier allerdings genügend Hinweise, Tipps und Tricks zur Verfügung stellen kann, um Euch die Lernkurve etwas flacher zu gestalten. Fehler muss allerdings jeder selber machen und ohne die wird es auch nicht gehen, um das notwendige Fingerspitzengefühl zu erlangen!

Konstruktion in 2D/3D mit Hilfe einer CAD Software

Am Anfang steht die Konstruktion. Ging das am Anfang noch auf Papier so war ich doch schon recht früh in der Lage mit Hilfe von 2D CAD Software bessere Qualität bereits in der Planungsphase von Projekten zu schaffen. Beispielsweise war mein erstes Projekt überhaupt die Umsetzung eines neuen Köf 2 Fahrwerks, was nicht zuletzt auch daran scheiterte, dass nicht alles vorab schon bekannt war und die Zusammenänge klar und übersichtlich aufgeschrieben wurden. Die ersten Schritte machte ich damals auf Papier und Powerpoint, was nicht wirklich die richtige Wahl darstellt.Ohnehin sollte später per Auftragsvergabe gefräst werden und daher brauchte es auf jeden Fall noch einen CAD Umsetzung und für die einfachen Teile half das 2D CAD im zweiten Schritt, Teile entstehen zu lassen, die später auch wirklich zusammenpassten. Auch heute reicht die Konstruktion mit Hilfe eines 2D CAD für viele Aufgaben, die nur eine Positioninerung in der Fläche bei eingestellter Höhe/Tiefe benötigen. Die 3D Leistung findet in der Regel aber dabei doch immer im Kopf statt und dabei entstehen Fehler, die vor allem aus einer falschen Reihenfolge der Abarbeitung resultieren oder weil man z.B. Überlappungen während der Konstruktionsarbeit nicht gesehen hat.

Trotzdem starte ich oft noch mit einem 2D Modell, dass ich recht einfach in seinen Grundelementen erstellen kann. Oft steht auch eine maßstäbliche Zeichnung zur Verfügung, die ich, richtig skaliert, unterlegen kann, um die Grundmaße korrekt festlegen und jederzeit verifzieren zu können. Aus dem 2D Modell kann ich später auch relativ einfach ein 3D Modell entstehen lassen. Die 2D Arbeit mache ich nachwievor mit QCAD, was einfach und sehr effizient zu bedienen ist und mittlerweile mit Open Source Lizenz auch kostenfrei eingesetzt werden kann.Heute könnte ich wahrscheinlich drauf verzichten, weil meine kommerzielle 3D Software auch einen guten 2D Teil besitzt aber was man mal mühsam gelernt hat, gibt man nicht so schnell wieder auf ... :-) Das Standard file Format ist dxf und in seiner Qualität so gut, dass es von allen anderen Programmen, die ich einsetze, auch problemlos weiter verarbeitet werden kann.

Die 3D Konstruktionsarbeit mache ich mithilfe von ViaCAD 2D/3D. Hiermit lässt sich nahezu alles konstruieren, was das Modellbahnerherz begehrt. 3D Konstruktion bedarf einer anderen "Denke" und daher habe ich es am Anfang auch etwas schwer gehabt, aus meiner recht gut beherrschten 2D Software umzusteigen. Alles, was später nicht mit Positionierung und einheitlicher Zustelltiefe gefräst werden kann, konstruiert man sinnvollerweise mit einer 3D Software. Der beliebige Blick aus allen 3 Dimensionen hilft ungemein, das erwünschte Teil auch vollständig richtig zu erzeugen. ViaCAD ist glücklicherweise auch in der Lage, das STL file Format zu exportieren, dass ich später in der CAM Software verwenden kann. 

Umsetzung der Konstruktion in Fahrwege der Fräse und generieren des Maschinen-Codes mit Hilfe einer CAM Software

Die Konstruktion muss im zweiten Schritt in Fahrwege für die Fräse umgesetzt werden. Der Fräsmotor muss ja in X und Y Richtung in der Fläche sowie mittels Zustelltiefe in der der Z-Achse verfahren werden und dabei muss z.B. der Durchmesser des Fräsers berücksichtigt werden, damit nur das zerspant wird, was von dem Werkstück auch wirklich entfernt werden soll. Eine CAM Software leistet das mit allerhand Job-Variationen und Einstellungs-Optionen, die für die vielfältigen Aufgaben jeweils passend konfiguriert werden müssen. Ich setze dazu 2 verschiedene Pakete ein. 

Für die Umsetzung von Bohrungen arbeite ich mit Filou, einer 2.5D Software. Diese Software ist wesentlich leistungsfähiger als dass man sie nur zum Bohren einsetzen könnte. Die allermeisten Aufgaben liessen sich damit problemlos umsetzen allerdings empfinde ich sie mittlerweile als etwas "bockig" und unflexibel im Vergleich zum später beschafften Deskproto, das allerdings keine speziellen Bohr-Routinen anbietet.

Im allgemeinen nutze ich heute Desproto für die Erzeugung und Optimierung des benötigten Maschinecodes. Deskproto hilft sehr anschaulich mit Hilfe von einer selbsterklärenden Grafik, die richtige Fräs-Strategie umzusetzen und ist dabei nach relativ kurzer Zeit trotz vielfältiger Parametriserungsmöglichkeit mit Spass erlernt. Wesentlich schneller als mit Filou kommt man zu brauchbaren und guten Ergebnissen, die man auf der Maschine ausprobieren kann. Beide Applikationen errechnen auch jeweils die sich aus dem Code ergebende Maschinenzeit. Das ist hilfreich, wenn man den Code optimieren will. Auch hierzu werde ich mindestens für Desproto an einigen Beispielen die Möglichkeiten (und Notwendigkeiten) der Optimierung aufzeigen. 

Gleichzeitig stellt man aber auch fest, dass ein richtiges Software-Modell nicht unbedingt korrekt von der Fräse umgesetzt werden muss. Bei ersten Zerspanungsversuchen haben dann auch gleich ein paar Fräser ihr Leben lassen müssen - wenn auch nicht umsonst. Sowohl Hinweise zu den richtigen Strategien als auch Zustellparameter konnte ich daraus ableiten. Interessant ist, dass ich so manches mal bereits bei der Konstruktion beginnen musste, um zu einer möglichen und guten Zerspanungsstrategie zu kommen. Dazu gibt es in eigenen Beiträgen konkrete Erfahrungswerte, die Nachahmern sicher helfen sollten, die richtigen Werte schneller zu finden und Konstruktionen zu vermeiden, die Probleme machen (können)...

Beide Programme, sowohl Filou als auch Deskproto erzeugen den für die Maschinensteuerung notwendigen DIN/ISO Code (dazu später an anderer Stelle mehr) in guter Qualität. Dieser Code ist durchaus lesbar und, später mit ein wenig Übung, auch gut verständlich. Generierte Codes sollte man grundsätzlich nicht ändern, denn spätestens bei der nächsten (grafischen) Korrektur wird der Code überschrieben...!

Für das Generieren des Codes muss die eigene Maschine ausgewählt werden können! Bei Filou und Deskproto geschieht das mit Hilfe von Post-Prozessoren, die auch selbst erstellt und angepasst werden können. Egal, welche Software man später wählt, es muss darauf geachtet werden, dass die eigene Maschine in irgendeiner Form auch bedient werden kann!

Eventuell lohnt es sich aber, das eine oder andere Code Fragment zu erlernen, um einfache Dinge evtl. schnell selbst im eigenen Editor zu schreiben, in dem man Code (Fragmente) vorbereitet und wieder verwendet. Heute verwende ich genau diese Technik z.B. für Bohrungen, wobei die passenden Koordinaten von Filou geliefert werden. Klingt kompliziert ist aber mit etwas Übung einfacher und schneller gemacht als per grafisch orientierter Software, zumal gewisse Dinge in Filou auch nicht einstellbar sind wie z.B. Wartezeiten beim Tiefbohren zum Reinigen des Bohrers während des Bohrvorgangs... - ja auch so etwas brauche ich hier und da.

Ausführung des Maschinen-Codes mit Hilfe einer Steuerungs-Software

Der erzeugte Maschinen-Code wird von der speziellen Steuerungs-Software der gewählten Maschine gelesen, interpretiert und ausgeführt. Ich setze dazu auf WinPCNC, eine bewährte Software, die auch von meinem Maschinen-Hersteller empfohlen wird. WinPCNC lässt sich an viele Maschinen anpassen und ist aus meiner Sicht sehr übersichtlich und vielfältig genug für unsere Hobby-Anforderungen zu benutzen. 

Die Applikation liest eigentlich nur den Code ein und führt ihn Zeile für Zeile aus. Es ist darauf zu achten, dass die PC-Maschinen-Kommunikation Echtzeitanforderungen hat... daher sollte zum Fräsen auch nichts anderes als WinPCNC laufen - und das meint tastächlich NICHTS anderes ausser dem nackten Betriebssysten, das dazu auch noch entsprechend konfigueruert werden muss. Es lohnt also ein eigenes (älteres) Notebook, dass dafür entsprechend eingestellt wird.

Auch wichtig: Die meisten PC's haben heute nur USB Schnittstellen und die notwendige RS232 Schnittstelle fehlt. Daher gibt es fpr WinPCNC eine USB Variante, die mit zusätzlicher Hardware als Echtzeitpuffer verkauft wird. Damit geht es ganz gut und die sonst notwendige Windows Kastration kann etwas moderater ausfallen...

WinPCNC erlaubt mit Hilfe von zusätzlichen Sensoren auch das Wechseln von Werkzeugen mit automatischem Höhenausgleich. Das ist eine hilfreiche Einrichtung, auf die unbedingt bei der Auswahl geachtet werden sollte. Auch die Anbindung eines vollautomatischen Wechslers ist möglich!

Einspannen in die Fräse - ein Kapitel für sich und irgendwie die Königsdiziplin

Ich will das hier nicht intensiv ausführen, denn das Thema ist ein recht breites... Vor dem Fräsen kommt das Einspannen und das ist in der Tat die schwierigste Disziplin, wie ich finde. Eine Wissenschaft für sich ist das, wie mir mittlerweile auch einige Profis bestätigt haben. Ein Schraubstock mag helfen aber es gibt unzählige andere, zulässige und für eine spezielle Aufgabe richtige Spanntechniken. Sehr oft, und das soll hier die Hauptbotschaft sein, kommt man nicht darum herum, sich eigene Spannwerkzeuge zu bauen, um die Werkstücke einspannen und richig bearbeiten zu können, insbesondere wenn mehrere Seiten eines Werkstücks bearbeitet werden müssen. 

In Projekten, die ich hier so nach und nach vorstellen möchte, werde ich sicher das eine oder andere mal darauf eingehen, wie ich das Werkstück gespannt habe. Das sollen dann Beispiele sein, die hoffentlich verdeutlichen, was alles machbar ist und manchmal auch sein muss. Generalisieren kann man das leider nicht und ich würde es auch nicht auf 2-3 Methoden beschränken wollen. Aber vielleicht reichen diese paar Zeilen ja schon aus, dass der geneigte Leser auch ungewöhnliche Methoden nicht schon deswegen gleich verwirft, weil sie einem "merkwürdg" vorkommen. Ja, auch das könnte richtig sein ;-)

Das Fräsen an sich...

Abschliessend und wenn alles richtig eingespannt ist, kommt man dann endlich zu dem, warum man sich damit überhaupt beschäftigt: Das Fräsen mit der CNC Fräse. Das ist eigentlich unspektakulär, wenn denn nach vielen Versuchen die kindliche Freude darüber weicht, dass sich das Maschinchen tatsächlich selbst bewegt... ;-)

Nun ist es nämlich nur noch wichtig, das Werkzeug zu wechseln, wenn es sein muss oder das Werkstück umzuspannen, wenn man mit Mehrseitenbearbeitung erfolgreich sein will oder muss. Ansonsten ist der Lärmpegel hoch genug, dass man auch gerne mal ausserhalb der Werkstatt einen Kaffee geniesst, während die Maschine durchaus auch mal mehrstündig die eigentliche Arbeit erledigt.

Will man ein Teil mehrfach erzeugen, so hat sich meine Dokumentationsarbeit als hilfreich erwiesen. Alle Handgriffe, Wechsel, Einspann-Hinweise etc. und die ungefähre Laufzeit je Teiljob bis zum nächsten Eingriff meinerseits halte ich gleichförmig fest, damit ich auch meinen eigenen Einsatz optimieren kann (Pausen!! :-) ) und damit ich bereits begangene Fehler nicht wiederholen muss. Jeder Fehler rächt sich und - klar - man kann zwar den Code einfach wiederholt ablaufen lassen aber es kostet eben auch immer Material und Werkzeug...!

Nicht ganz umsonst stelle ich es so dar, dass es wie ein kleiner letzter Schritt aussieht... im Grunde ist es tatsächlich auch so. Hauptarbeit und die meiste Zeit (wenn man nicht am Anfang steht) ist tatsächlich Konstruktion und Erzeugung des (wiederholbaren) Maschinen-Codes. 

Genau dafür wurde das Verfahren ja auch erfunden: Wiederholbarkeit bei gleichem Ergebnis. Nun, auch ein Einzelmodell gewinnt in der Entwicklungs- und Fertigungszeit. Aber das Verhältnins ist nicht atemberaubend gut. Glücklicherweise ist der andere Vorteil der CNC Technik darin zu sehen, dass die Genauigkeit der Fertigung höher ist als es manuell auszuführen - in der Regel jedenfalls und vorallem auf unserem Hobby Level!

Auswahl der passenden Maschine

es gibt viel Hardware, die man in diesem Zusammenhang einsetzen kann. Viele von uns setzen für's Hobby auf Bausatz-Maschinen, was für einfachere Aufgaben und weichere Materialen möglicherweise auch genügend hohe Genauigkeit und Stabilität mitbringt. Ich habe nicht genug Erfahrung und Überblick, um hier die richtigen Kritierien zur optimalen Auswahl zu benennen. Nur soviel:

• Die Maschine muss für meine Zwecke genügend stabil sein, um Messing und Neusilber zu verarbeiten, durchaus auch mal etwas Stahl
• Weichere Werkstücke aus Polystyrol, Delrin und anderen weichen Materialien, speziell zum Formfräsen, sollten dann kein Problem darstellen 
• Für die Erzeugung meiner Fahrwerksteile aus Messing ist eine hohe Wiederholgenauigkeit und eine verlässliche Genauigkeit auf hundertstel mm Basis notwendig. Eine höhere Genauigkeit brauche ich derzeit aber auch nicht, auch wenn man das im ersten Moment glauben mag, denn entscheident sind bei der Fahrwerks-Erstellung vorallem die Achsabstände zueinander. Der Rest verträgt i.d.R. grössere Toleranzen. 
• Für Formteile geeignete weichere Materialen müssen teilweise in einer höheren Genauigkeit bearbeitet werden können, speziell um Rundungen exakt hinzubekommen
• Die Grösse der Teile definiert sich für mich maximal irgendwo im Bereich 25*25*8cm - damit sind auch Teile in H0 oder grösser machbar
• Die Spindel sollte austauschbar sein, damit man für die Bearbeitung der unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Werkzeugen auch notwendige Geschwindigkeitsanforderungen erfüllen kann

Ich bin meinem Bauchgefühl und meinen genannten Kriterien gefolgt und habe auf eine nachweislich bewährte Maschine von CNC-Step (High Z-400) mit einem Kress Fräsmotor gesetzt, die bisher auch alle meine Anforderungen erfüllt oder sogar übererfüllt hat. Daher kann ich sie für meinen Einsatzbereich auch sehr empfehlen. Sie ist aus eigener Erfahrung heraus stabil genug für Metallverabeitung und es gibt dazu auch auf der Herstellerseite genügend Dokumentation darüber. Der Preis ist akzeptabel und auch ein Bausatz wird in ähnlicher Qualität nicht signifikant Geld sparen können. Die Maschine ist mit der gewählten Steuerung erweiterbar um eine 4. Achse, was vermutlich auch irgendwann mal bei mir passieren wird. 

ACHTUNG: Die Maschine ist KEIN ALLEINIGER ERFOLGSGARANT. Wenn mein Beitrag das bis hierher klar gemacht hat, dann ist der erste Schritt zum erfolgreichen CNC Fräsen bereits gemacht :-)

Weitere Artikel werden nun Zug um Zug folgen, um konkret über meine Erfahrungen mit Software, Maschine, Werkzeugen, Werkstücken, Materialien, Konstruktionen etc. und natürlich meinen erzeugten Modellen zu berichten. Stay tuned!