Odkąd mam drukarkę 3D byłem pod wrażeniem możliwości jakie ona daje, można wydrukować prawie wszystko, prawie, i tu jest problem. Istnieją pewne ograniczenia tej technologi. Plastik nie jest odporny na wysokie temperatury, duże obciążenia oraz wygląda jak wygląda. Lubię plastik, uważam, że to wspaniały materiał który jest genialny do wielu projektów i łatwo nim drukować ale czasami potrzebuję do projektu czegoś mocniejszego (np. z aluminium) lub czegoś co wygląda lepiej w konkretnym zastosowaniu (np. drewno). Plastik nie jest idealny do wszystkiego, przez co druk 3D nie nadaje się do każdego projektu.Tak właśnie powstał pomysł zbudowania  Frezarki CNC zdolnej do obróbki drewna, MDF, sklejki, plexy a nawet aluminium. Wydrukowanie frezarki na drukarce brzmiało dość śmiesznie ale zarazem wydawało się dobrym pomysłem. Odpowiednio zaprojektowane części powinny być wystarczająco mocne, a wykorzystanie druku 3D ułatwi wszystkim zbudowanie swojej własnej frezarki. Od samego początku projektowania starałem się trzymać jak najbardziej ustandaryzowanych, łatwo dostępnych części i tak oto w projekcie użyłem takich części jak łożyska LMU12 i 608zz, silniki Nema17, arduino z shieldem GRBL oraz Dremel 3000. Kolejnym odgórnym założeniem było stworzenie frezarki którą można zbudować większą lub mniejszą w zależności od potrzeb nie zmieniając przy tym elementów wydrukowanych w 3D. Efektem ostatecznym jest całkiem niezła maszyna, zbudowana już przez dużo makerów na całym świecie (mapka poniżej). Koszt budowy to około 1200 zł ale może się dość mocno wahać w zależności od tego gdzie i kiedy kupicie części. Projekt nie jest już najnowszy, w momencie kiedy to piszę ma trochę ponad rok i być może niektórzy już widzieli go na moim YouTubie bądź Thingiverse, postanowiłem zrobić opis po polsku aby rodacy moi również mogli zbudować swoją własną frezarkę :) Mam nadzieję, że budowa przebiegnie bez problemów i będzie się dobrze frezowało. Zaczynajmy!

Lista części

Poniżej znajduje się link do arkusza na Google Drivie z listą wszystkich części i linkami do różnych sklepów. Wypisanie wszystkich linków tutaj w przejrzysty sposób było by dość ciężkie, myślę że arkusz działa lepiej w tym przypadku.

ARKUSZ Z LISTĄ CZĘŚCI

Filmy

Zacznijmy od filmu, jest po angielsku ale możecie zobaczyć jak przebiega proces budowy całej frezarki i myślę że widać tu dużo więcej niż na zdjęciach. Angielski zresztą nie jest jakichś wysokich lotów więc myślę, że jak znacie podstawy to ogarniecie :)

Druk 3D

Nie rozpoczniesz budowy bez wydrukowanych części dlatego od nich zaczniemy. Jest to dość ważna część tego projektu dlatego napiszę o tym trochę więcej. 

Zacznijmy od wypełnienia, można pomyśleć że im większy tym lepiej i oczywiście jeśli chcesz zmożesz je wydrukować nawet z infilem 100% ale niewiele to zmieni. Polecam infill pomiędzy 20-40%, części są wystarczająco mocne i drukują się dość szybko.

Wszystkie części drukowałem z PLA jest to najłatwiejszy i dość tani materiał do drukowania. Jeśli natomiast masz możliwość możesz je wydrukować z PETG, drukuje się tak łatwo jak PLA, jest tylko trochę droższy a wytrzymuje większe temperatury i dzięki temu że jest trochę bardziej elastyczny ciężej te części połamać.

Niektóre części wymagają supportów podczas drukowania postaraj się drukować części w orientacji minimalizującej supporty oraz takiej która umożliwi ich usunięcie. 

Jeśli chcesz coś pozmieniać w moim projekcie i dostosować frezarkę do swoich potrzeb na Thingiverse znajdziesz pliki .f3d, .iges oraz .step, nie zapomnij podzielić się swoją pracą z innymi :)

Na koniec mała uwaga, części te jak to rzeczy wykonane z plastiku – nie są najmocniejsze dlatego podczas montażu uważajcie żeby ich nie połamać. Szczególnie łatwo o pęknięcia podczas wciskania łożysk w otwory, przeszlifuj je najpierw pilnikiem a dopiero potem delikatnie i powoli umieść łożysko na właściwym miejscu. Zaprojektowane otwory pod łożyska są nieco mniejsze od zewnętrznej średnicy łożyska, umożliwia to drukowanie tych elementów na każdej drukarce bez żadnych modyfikacji ale konieczne jest przeszlifowanie otworów pilnikiem!

Na thingiverse znajdziecie również 2 narzędzia oznaczone jako „tool” są one przydatne podczas wiercenia otworów w profilach aluminiowych i stole frezarki.

Thingiverse

Przygotowanie do montażu

Zanim przystąpimy do montażu wszystkich elementów prawdopodobnie będziesz musiał dociąć niektóre z nich na odpowiednią długość. Co oznacza odpowiednia długość? To już zależy od ciebie, frezarka może być dowolnych rozmiarów a jedyne co musisz zrobić żeby była większa bądź mniejsza to zmienić długość aluminiowych profili, prowadnic liniowych oraz śrub trapezowych. Jeśli kupiłeś części docięte na odpowiednie długości możesz pominąć ten krok.

Bardzo przydatnym narzędziem do cięcia profili aluminiowych jest piła ukosowa, taka z prowadnicą dzięki czemu uzyskacie idealny kąt prosty. Bardzo ułatwia to montaż a dużo nie kosztuje, nawet najtańszy model się nada, aluminium jest dość miękkie.

Problem pojawia się podczas cięcia prowadnic i śrub trapezowych, są wykonane z bardzo twardej stali przez co cięcie ich przy pomocy jakiejkolwiek piły ręcznej raczej nic nie da, do tego trzeba użyć szlifierki kątowej.

Na tym etapie możesz też umieścić łożyska w wydrukowanych częściach zarówno LMU12 jaki 608zz. Aby trochę to ułatwić polecam użyć imadła i powoli wciskać łożyska na miejsce oczywiście pamiętając o uprzednim szlifowaniu. Polecam też przykręcić wszystkie nakrętki śrub trapezowych z brązu za pomocą śrub M3.

Oś Z

Zaczniemy dość nietypowo bo od osi Z, dzięki temu będzie łatwiej poskładać resztę. Dwa krótkie wałki liniowe umieść w wydrukowanym elemencie ale nie do końca ponieważ musimy jeszcze dodać uchwyt wrzeciona. Łożyska LMU12 powinny się swobodnie poruszać na wałkach liniowych. 

Do silnika krokowego zamontuj sprzęgło a następnie do sprzęgła śrubę trapezową. Całość umieść w karetce osi Z i za pomocą 2 śrub M3 przykręć. Na koniec dokręć śruby trzymające wałki liniowe. Kable silnika krokowego powinny być skierowane do tyłu, dzięki temu łatwiej ogarniesz cable management ponieważ z tyłu zamontujemy elektronikę.

Oś X

Analogicznie do poprzedniego kroku zamocuj silnik wraz z sprzęgłem i śrubą trapezową. Wałki liniowe umieść w jednym z wydrukowanych elementów osi X (tym z silnikiem). Może ci się do tego przydać gumowy młotek, ale uważaj żeby Ci części nie pękły. Na wałki liniowe wsuń zmontowaną w poprzednim kroku oś Z i zamknij oś X drugim wydrukowany elementem, ponownie możesz użyć młotka.

Oś Y i rama

Oś Y jest połączona z ramą dlatego musimy budować te części projektu równolegle. Rama opiera się na aluminiowych profilach 20×20 łączonych za pomocą śrub co zapewnia wysoką sztywność. Profile 20×20 mm są łatwo dostępne i tanie – właśnie dlatego je wybrałem.

Kupiłem profile o długości 60 cm część z nich została użyta bez cięcia (prawy i lewy bok frezarki) a dwa z nich przeciąłem na pół, 4 otrzymane profile o długości 30 cm łączą boki frezarki przy pomocy wydrukowanych kątowników które również możesz kupić (ale taniej jest je wydrukować).  W dłuższych profilach musisz wywiercić 2 otwory tak aby możliwe było przykręcenie profili do siebie w kształt litery L za pomocą śruby M6. Aby ułatwić wiercenie możesz użyć wydrukowane narzędzie które pomoże wywiercić otwór w odpowiednim miejscu (narzędzie to jest wykonane z plastiku więc łatwo jest je przewiercić dlatego nie będzie to super precyzyjne ale do wywiercenia 4 otworów da radę) Krótsze profile należy przewiercić wiertłem 5.2 mm a następnie nagwintować gwintownikiem M6. Aluminium jest dosyć miękkie więc idzie to bardzo sprawnie. Nie jest łatwo opisać cały ten proces ale myślę, że jak spojrzysz na zdjęcia to wszystko zrozumiesz :)

Równolegle z montażem ramy musisz połączyć wydrukowane elementy osi Y. Mają one specjalny kształt umożliwiający wsunięcie ich w aluminiowe profile. Najpierw wsuń wydrukowane elementy na profile a następnie skręć profile śrubami M6. Pamiętaj aby skręcić profile razem, sam wydrukowany element nie jest wystarczająco mocny aby utrzymać całą ramę. Dodatkowo dokręć kątowniki wydrukowanych elementów osi Z za pomocą śrub M5 i nakrętek młoteczkowych.

Dolna rama jest już gotowa, teraz możesz przykręcić stół który ja wyciąłem ze sklejki 10 mm. Ponownie w zależności od rozmiaru twojej frezarki stół może mieć różny wymiar. Musisz również obciąć rogi tej płyty aby weszła ona pomiędzy wydrukowane elementy do tego wzdłuż krawędzi wywierć otwory które pozwolą nam przykręcić ją do ramy za pomocą śrub M5 i nakrętek młoteczkowych. Na Thingiverse znajdziesz wydrukowane narzędzie które pomoże wywiercić otwory w dobrej odległości od krawędzi, nie trzeba ich dużo. 

Umieść wałki liniowe 12 mm które musisz wsunąć w wydrukowane mocowania osi Y (uważaj żeby nie pękły). Oczywiście równocześnie z wsuwaniem wałków musisz wsunąć na nie wcześniej zbudowaną konstrukcję osi X i Z. Dokręć zaciski wałka w wydrukowanych elementach śrubami M3. Cała oś Y powinna swobodnie poruszać się w przód i tył.

Do silników krokowych przykręć sprzęgło i śruby trapezowe. Ważne abyś najpierw przykręcił śrubę ze sprzęgłem a potem silnik do uchwytu gdyż w odwrotnej kolejności może to być trudne. Umieść silnik w wydrukowany elemencie i przykręć za pomocą śrub M3. Śruba trapezowa powinna przejść przez nakrętki zamocowane w elementach osi X. Drugi koniec śruby trapezowej powinien znajdować się w łożysku 608zz. 

I tak oto zmontowałeś całą konstrukcję frezarki, zostało już naprawdę nie wiele aby rozpocząć frezowanko :) Gratuluję!

Jest jeszcze coś co polecam dodać – osłona na śruby osi Y. Zwykły profil aluminiowy o wymiarach 30x50mm kupiony w Castoramie i docięty na odpowiednie długości, idealnie nie jest ale zawsze jakaś ochrona przed zapchaniem wiórami.

Wrzeciono

Oczywiście zgodnie z nazwą projektu jako wrzeciona można użyć Dremela i tak też zrobiłem na początku. Po jakimś czasie postanowiłem ulepszyć frezarkę i zaprojektowałem uchwyt do popularnego wrzeciona 500W z chin. Nadal uważam, że Dremel to świetne rozwiązanie dla początkujących gdyż jest tani, prosty w obsłudze i jest to dodatkowe narzędzie które możesz wymontować z frezarki i użyć do bardzo wielu prac. Ma również możliwość sterowania prędkością obrotową, nie jest to precyzyjne ale zawsze lepsze niż nic. Ale Dremel to nie rozwiązanie bez wad. Zbyt mała moc, zbyt duża prędkość obrotowa, nie najlepszy montaż to niektóre z nich. Jeśli wolisz coś mocniejszego co jest zarazem trochę trudniejsze do połączenia to polecam to: Wrzeciono 500W

A jeśli wolisz mniej problemów i dodatkowe narzędzie to spróbuj z Dremelem, zawsze możesz wymienić w przyszłości.

Aby zamocować Dremela (użyłem modelu 3000) wystarczy odkręcić nakrętkę z dołu, umieścić go w wydrukowanym uchwycie i dokręcenie nakrętki. Ponieważ sama nakrętka nie była wystarczająco mocna dodałem również klamrę u góry która zapewni mocniejszy uchwyt Dremela.

Frezy które możecie używać z Drmelem muszą mieć 1/8 cala średnicy czyli 3.175mm i to jest bardzo duże ograniczenie. ER11 pozwala na zamocowanie frezów o niemal każdej średnicy do 10 mm. 

Jeśli chcesz użyć innego wrzeciona to albo musisz samemu zaprojektować nowy uchwyt albo poszukać na internecie czy ktoś tego już nie zrobił, jest dość dużo remixów mojego projektu na thingiverse :)

Początkowo chciałem użyć przekaźnika aby włączać wrzeciono przy pomocy komendy w Gcodzie ale zdecydowałem że podłączanie przekaźnika a następnie odpowiednie zabezpieczenie tego typu układu nie jest ten warte. 

Wrzeciono 500W wymaga trochę bardziej skomplikowanego połączenia i musisz samemu dorobić wtyczkę do zasilacza więc jeśli nie jesteś pewny jak to zrobić i nie masz doświadczenia w pracy z wysokim napięciem poproś o pomoc osobę która się na tym zna, wysokie napięcie jest NIEBEZPIECZNE!!!

GRBL

Czas wgrać oprogramowanie do Arduino. Użyłem bardzo popularnego GRBL. WIęcej informacji o tym czym jest GRBL wraz z całym kodem znajdziesz tutaj:

https://github.com/grbl/grbl

Po pobraniu pliku .ZIP z linku powyżej możesz go dodać jako bibliotekę do Arduino. Otwórz plik-> przykłady i znajdź GRBL. Otworzy się plik z tylko jedną linią kodu, tak ma być. Podłącz Arduino do komputera i wgraj program. To tyle, GRBL jest już zainstalowany na Arduino, nic trudnego.

Musimy również zmienić pewne ustawienia, możesz to zrobić przez serial monitor w Arduino IDE bądź konsolę np. W CNCjs. W zależności od użytego microsteppingu, skoku śruby trapezowej i silników krokowych poniższe parametry mogą się różnić:

$100 = 400

$101 = 400

$102 = 400

Te 3 komendy ustawiają ilość kroków silnika na 1 mm posuwu na osiach X, Y, Z. Każdą komendę musisz wysłać pojedynczo.

Elektronika

Wiele osób jest przerażona tą częścią projektu ale spokojnie, nie ma się czego bać :) Połączenie nie jest skomplikowane ani trudne. Mam nadzieję, że poniższy schemat wszystko ładnie wyjaśni.

Zanim wepniesz sterowniki silników krokowych, musisz włączyć microstepping za pomocą zworek. Wystarczy że połączysz 3 zworki pod każdym sterownikiem silnika włączając największy microstepping. Dwie zworki musisz także podłączyć po lewej stronie shieldu aby odbić ruch osi Y na oś A (jest to zaznaczone na schemacie białymi przewodami). Następnie wepnij sterowniki silników i podłącz całą resztę.

Elektronikę zamknąłem w małym wydrukowanym pudełku które można przykręcić do aluminiowego profilu. W pudełku cała elektronika jest zabezpieczona przed pyłem i wiórami. Niestety nie ma chłodzenia dla sterowników silników które by się przydało i pracowałem nad tym aby je dodać ale niestety nie było to szczelne rozwiązanie i wióry dostawały się do środka oraz występowały problemy z zasilaniem wentylatora. Ostatecznie używam frezarki bez chłodzenia dla elektroniki i przy odpowiednim ustawieniu prądu dla silników krokowych nie ma problemu z przegrzewaniem.

Zasilanie

Kiedy zaczynałem budowę Dremel CNC użyłem dużego zasilacza 12V 30A. Był za duży. 30A to naprawdę duży prąd, taki zasilacz sprawdza się w drukarkach 3D gdzie wymagana jest grzałka w hot endzie oraz podgrzewany stół tak duży prąd nie występuje natomiast w tak małej frezarce. Ostatecznie zamieniłem tego potwora na mały zasilacz 12V 3A i to w zupełności wystarcza ale nie polecam schodzić niżej, ewentualnie możesz kupić coś trochę mocniejszego. Oczywiście jeśli używasz większych silników, być może pobierają dużo większy prąd, będziesz musiał użyć mocniejszego zasilacza. Żeby łatwo było go odłączać i podłączać sprawdź czy wtyczka i gniazdo którego użyłeś do siebie pasują.

Cable management

Żeby wszystko było ładnie uporządkowane i kable nie plątały się podczas frezowania trzeba to jakoś ogarnąć. Zdecydowałem się użyć „gumowej owijki” (pewnie ma to jakąś bardziej profesjonalną nazwę). Można to tanio kupić w chinach i spełnia to swoje zadani bardzo dobrze. Można by się pokusić o coś bardziej profesjonalnego ale myślę, że to jest najprostsze wystarczająco dobre rozwiązanie. 

CNCjs

Jest wiele programów do kontrolowania frezarek CNC, z tego co widziałem i słyszałem dość popularny jest mach3. Moje pytanie brzmi z jakich powodów? Jest płatny, potwornie brzydki a przez to nie intuicyjny a do tego płatny. Po co torturować się czymś i takim skoro można użyć czegoś darmowego, ładnego, prostego i dostępnego na Windowsa, Maca i Linuxa. Możecie nawet zrobić sobie serwer i zdalnie sterować frezarką. Rozwiązanie idealne a nazywa się ono CNCjs. Działa świetnie z GRBLem i nigdy jeszcze nie miałem żadnego problemu z nim a używam już ponad rok.

https://cnc.js.org

Jeśli ktoś miałby problem z połączeniem się przez serial port to zmieńcie baud Rate na 11520 w CNCjs i powinno być ok.

Fusion 360

Zawsze jest o to mnóstwo pytań więc w dużym skrócie, jest to (moim zdaniem) absolutnie najlepszy program do wszystkiego CAD, CAM, Rendery, symulacje. Darmowy dla studentów, działa na Windowsie i Macu i można w nim zrobić wszystko. Nie wiem czy istnieje program który by był łatwiejszy w obsłudze a przy tym tak potężny. Jest całe mnóstwo poradników na temat tego jak fusiona używać więc nie będę tutaj się rozpisywał.

Bezpieczeństwo

Safety is number one priority. Frezowanie jest niebezpieczne. Frez się szybko obraca, obrabia drewno, metale i inne materiały. Jest dużo rzeczy które mogą pójść nie tak. Nie pchaj palców tam gdzie palce być nie powinny, nawet tak mały silnik krokowy może porządnie zgnieść palec. Noś okulary ochronny na wypadek złamania frezu i żeby wióry nie wpadły Ci do oka. Frezowanie jest również głośne więc używaj słuchawek ochronnych. Dobrym pomysłem jest zbudowanie obudowy na frezarkę, ale mi się to jeszcze nie udało. Pierwszy i najważniejszy krok do bezpieczeństwa to myślenie. Dlatego uważajcie i myślcie a będzie wam wyfrezowane.

Jak frezować 

Dobranie odpowiednich parametrów frezowania nie jest łatwe a jedyny sposób aby to zrobić w tego typu maszynie to eksperymentowanie. Zacznij powoli i płytko a następnie stopniowo zwiększaj prędkość posuwu i głębokość frezowania. Uważaj bo łatwo jest przesadzić i złamać frez. Frezowanie zbyt wolno i frezowanie zbyt szybko ma negatywne skutki, trzeba znaleźć złoty środek. Poniżej podaję wam ustawienia których zazwyczaj używam, nie traktujcie ich jako idealnych, dla waszej frezarki mogą one być zupełnie inne dlatego warto eksperymentować, może znajdziecie lepsze ustawienia niż ja.

Drewno, MDF:

Posuw: 800 mm/min

Głębokość: 3mm

Zazwyczaj używam Adaptive Clearing i Contour Cut

Dremel ustawiam mniej więcej na 8/10

Plexa:

Posuw: 500 mm/min

Głębokość: 1 mm

Dremel ustawiam mniej więcej na 6/10

Aluminium:

Posuw: 800 mm/min

Głębokość: 0.2mm

Dremel ustawiony na maxa

Społeczność

Ważnym aspektem tego projektu jest stojąca za nim społeczność. Setki a może już nawet tysiące osób zbudowało Dremel CNC na całym świecie! Stworzyłem grupę na Facebooku aby budowniczowie mogli sobie wzajemnie pomagać:

Grupa na Facebooku

Ulepszenia

Projekt rozrósł się tak bardzo, że dostępne jest mnóstwo różnych wersji mojego projektu, różne dodatki i ulepszenia lub uchwyty na inne narzędzia. Staram się aby mimo tak dużej ilości różnych pobocznych projektów wszystko było nadal jasne i łatwe w zbudowaniu dla każdego. Najbardziej aktualne pliki tego projektu dostępne są na thingiverse. Poniżej znajdziecie listę wszystkich dodatków i remixów oryginalnego projektu:

Podsumowanie

Trochę mi ten projekt zajął. A opublikowanie go na majsterkowie nawet jeszcze dłużej ale mam nadzieje, że komuś się przyda. Mam nadzieję, że będziecie frezowali długo i szczęśliwie :) Jeśli ktoś ma pytania to zapraszam do zadawania ich w komentarzach i w grupie na Facebooku! Chętnie posłucham też waszych przemyśleń na temat projektu i zdradzę że pracuje już nad nową lepszą maszynką ;)

Miłej budowy!