Fräse Frieda

Die Entstehungsgeschichte

Es war einmal an der Zeit zu zeigen, dass eine gute Hobby-Fräse mit vertretbarem Aufwand und überschaubaren Kosten einfach zu realisieren ist ohne dabei das Rad neu zu erfinden.

Im Fräsenbereich gibt es schon viele gute Ideen und Umsetzungen, so dass das daraus quasi ein “Standard” abgeleitet werden kann.

Herausgekommen ist nach ca 4 Wochen Arbeit die allererste “Fräse Frieda”:

FriedaLbg

Aufstellmaße

Frieda ist derzeit in 3 Fräsbreiten und mit 3 Tischgrößen konstruiert, die beliebig miteinander kombiniert werden können:

Frieda-Maße

Portal

 Fräsbereich Stellfläche (Breite X)
Lca 65 cm Breiteca. 96 cm Breite
Mca 60cm Breiteca 92 cm Breite
Sca 50 cm Breiteca 82cm Breite

Tisch

 Fräsbereich Stellfläche (Länge Y)
1000ca 100 cm Längeca 140 cm Länge
800ca 80 cm Längeca 120 cm Länge
600ca 60 cm Längeca 100 cm Länge

Es sind also Kombinationen wie

  • L1000, L800, L600
  • M1000, M800, M600
  • usw…..

problemlos möglich..

Die Maße sind ungefähre Angaben und können ja nach verwendetem Schrittmotor und der Toleranzen beim Zusammenbau ein wenig abweichen. Trotzdem sind sie eine gute Orientierung für den Platzbedarf in der Werkstatt.

Ausstattung / verwendete Materialien

  • 20mm Linearführungen & 1605-Kugelumlaufspindeln auf allen Achsen
  • Material: Aluminiumplatten 15mm, AW5083 (AlMg4.5Mn),  Oberfläche feingefräst
  • Aluprofile
    • Tisch
      • Längsträger: 90×90 leicht
      • Querträger: 45×90 leicht
      • Portalbalken: 120×80

Technische Daten (für alle Größen):

  • Höhe Portaldurchlass über Tisch: ca 150mm
  • Verfahrgeschwindigkeit (Maximalempfehlung):
    • Y-Achse bis ca 7,5/min
    • X und Z größer 8m/min

Allgemeine Eigenschaften / Highlights:

  • In alle Kraft-Richtungen “2-Punktlagerung”. Also mindestens 2 Wagen zum Abfangen auftretender Kräfte in X-/Y- und Z – Richtung:

2-Punkt-Lagerung

  • einfacher Aufbau, kein “Schnickschnack”
  • nur 12 herzustellende Teile
  • beidseitige Einspannung der Y-Spindel mit einstellbarer Vorspannung
  • 12mm/32mm Schrägkugellager auf Festlagerseite, Loslagerseite mit Rillenkugellager
  • volle Portaldurchlasshöhe nutzbar

 Begriffsdefinitionen

Es gibt keine festen Achsen-Definitionen und keine einheitlichen Begriffe der Komponenten bei Portalfräsen. Daher verwende ich die folgenden Begrifflichkeiten auf meinen Seiten:

nomenklatur

Grundaufbau

Der Grundaufbau folgt den allgemein bekannten und vielfach bewährten Prinzipien. Auf besonderes Design der Teile oder anderen optischen “Schnickschnack” wurde verzichtet. Die Maschine würde dadurch zwar hübscher, aber nicht besser – eher schlechter.

Tisch

Der Tisch besteht aus 2 Längsträgern und mindestens 3 Querträgern.
Tisch-L

Die Anzahl der Querträger ist nicht vorgegeben. Wer möchte, kann einen 5. Querträger vorsehen (ggf. bei Frieda L), oder nur 3 (nur XS). Die Längs- und Querträger bestehen aus handelsüblichen Aluprofilen.

Die Längsträger bilden zusammen mit den Stirnplatten den tragenden Teil des Tisches. Die 3-5 Querprofile stützen die Längsträger zueinander ab. Die Querprofile sind 2mm kürzer vorgesehen, damit hier ausreichend Spiel zum Anpassen der Tischbreite an die tatsächliche Portalbreite vorhanden ist (siehe Aufbauanleitung). Die “Luftspalt” zwischen Längs- und Querträger ist nicht schlimm. Hier werden beidseitig Winkel angebracht, die für ausreichende Steifigkeit an dieser Stelle sorgen.

Portal

Das Portal besteht aus einem einzigen Aluprofil mit ausreichendem Querschnitt, welches beidseitig direkt an die Wangen geschraubt wird. Einfacher und günstiger bei gleicher Leistung geht es nicht.

Bei den Portalwangen wurde darauf geachtet das keine besonders ungünstigen Verbiegungen im Lastfall auftreten. Die Portalneigung ist ein Mittelweg zwischen einer möglichst geringen Fräserausladung nach vorne (über die Wangenvorderkanten hinaus) und einer nicht zu starken Portalneigung. Eine zu weite Ausladung nach vorne reduziert den Fräsweg. Eine zu weite Neigung des Portals nach hinten erhöht die Torsionskräfte (Verdrehung der Wange parallel zur Z-Achse) – zusätzlich zu der ohnehin auftretenden seitlichen Biegung/Verschiebung (entlang der Portalachse). Im FEM sieht die Wange unter Last (stark vereinfacht) so aus:

15mm

Zu erkennen ist ein recht gleichmäßiger Kraftverlauf. Je “komplexer” die Wange, umso komplexer ist der Kraftverlauf in der Wange. “Hübscher” ist nicht gleich besser. So passt das ganz gut.

Der Portalverbinder ist massiv ausgelegt um möglichen Schwingungen entgegenzuwirken und mittig unter den beiden Linearwagen der Portalwangen positioniert – nicht mittig auf der Portalwangenunterkante (siehe Aufbauanleitung). Mit dieser mittigen Positionierung unter den Linearwagen ist sichergestellt, dass im Falle eines “Auflaufens” des Portals an die Endpositionen der Verbinder an die Stirnseiten “schlägt” und das Portal blockiert bevor die Linearwagen von den Führungen laufen.

Führungen & Antrieb

Hier bleibt die Kirche im Dorf. Überfräste Auflageflächen, manuelles Setzen der Führungen zwischen die Nuten sind mit “Hausmitteln” einfach nicht zu schaffen. Und ob dieser zusätzliche Gewinn im individuellen Hobbybereich überhaupt benötigt wird?! Da habe bitte jeder seine eigene Meinung und das ist gut so.

Eine Besonderheit der Frieda (bei 1000er Länge) ist die beidseitige Einspannung der Y-Antriebsspindel. Auf der Loslagerseite werden 2 Rillenkugellager verbaut und die Spindel wird zusätzlich mittels Tellerfedern auch von dieser Seite aus gespannt. U.a. aus diesem Grund sind auch die Stirnplatten aus 15mm Material gefertigt. Da am Loslager keine wechselnden Zug- oder Druckkräfte auftreten (diese werden vom Festlager abgefangen), ist die Verwendung von Rilenkugellagern kein Problem. Diese Art der Einspannung erlaubt eine Erhöhung der Grenzdrehzahl der Y-Spindel (höhere Verfahrgeschwindigkeit). Bei den kleineren Varianten ist dies nicht mehr notwendig.

Erläuterung im Detail: Jede sich drehende Spindel fängt irgendwann, abhängig von Drehzahl und Länge, an zu “schlagen”. Hier spricht man von einer “Grenzdrehzahl”. Dies ist auch ein Grund (neben der zusätzlich sich drehenden Masse der Spindel), weswegen bei größeren Fräsen angetriebene Muttern verbaut werden. Das doppelte Loslager erfüllt nun 2 wesentliche Funktionen: Zum Einen erfolgt eine zusätzliche Abstützung gegen “Durchhängen” der Spindel durch 2 Lagerpunkte (in beiden Rillenkugellagern), zum Anderen wird durch das “Ziehen” mittels Tellerfedern an der Spindel dem Effekt des Schlagens und Durchhängens zusätzlich entgegengewirkt. Vergleichbar mit einem Springseil bei dem an einem Ende gehalten und am anderen zusätzlich gezogen wird: Das Seil schlägt weniger aus und man kann den armen “Springer” im Seil noch schneller hüpfen lassen.

Die X-Achse ist in klassischer Fest-/Loslagerbauweise ausgelegt.

Die Z-Achse besitzt nur ein Festlager, da die Spindel ausreichend kurz ist und eine Führung durch die Spindelmutter hier ausreichend ist.

“Auflager”

Es werden nur Führungen der Größe 20 und Spindeln mit einem Durchmesser von 16mm (Steigung 5mm) verwendet. Aus diesem Grund sind sowohl an der X-Achse als auch an der Z-Achse “Auflager” verbaut. Dies sind 12mm Aluplatten, die die Führungen ausreichend erhöhen damit eine Spindelmutter samt Halterung darunter Platz finden kann. Die Auflager führen nur zu nicht nennenswerten Nachteilen bei der Steifigkeit. Diese sind mehrfach verschraubt und im Fall der Z-Achse zusätzlich optional verklebt.

Auflager-X2

Auflager-Z

Frästisch / Aufspannplatte

Die Führungswagen der Y-Achse (Tisch-Achse) haben einen Abstand von 1mm zur Längsträgeroberkante. Es kann also eine Aufspannplatte verbaut werden, die über die Führungen hinausragt und somit vor direkter Verschmutzung durchs Fräsen schützt:

1mm

Alle wesentlichen Durchgangsbohrungen sind entweder als leichte Langlöcher oder mit ausreichend großem Durchmesser ausgelegt, damit ausreichend Spiel zum Einstellen vorhanden ist.

Erinnerungen

Neulich fand ich einen alten 1. Entwurf (April 2014) zur Weiterentwicklung meiner damaligen Fräse (der heutigen Vorgängerin der Frieda), den ich aus privaten Gründen jedoch nie weiter verfolgt hatte. Man könnte sagen, das ist die “Mutter der Frieda”:

alteFraese

Ich finde, die Ähnlichkeit ist in Grundzügen hier schon zu erkennen:

Tisch aus Aluprofilen mit “Stirnplatten”, Aluprofil als Portalbalken, Z-Motor auf der Z-Achse. Führung auf dem Portalbalken als Abstützung(usw). Die Fräsgröße sollte damals (aufgrund der schon vorh. Lineartechnik) allerdings bei 80x50cm bleiben.