Fresa CNC

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L'attuale postazione CNC

Uno dei requisiti fondamentali di un Fablab è il possesso di macchine a controllo numerico utili per la prototipazione rapida, tra queste spiccano le stampanti 3D e le fresatrici CNC (o scontornatrici). Implementare queste macchine rappresenta solitamente una spesa notevole, che può essere enormemente ridotta acquistando solo gli elementi fondamentali e costruendo la meccanica utilizzando i mezzi a disposizione (vedi i banchi di lavorazione legno e metallo, nella pagina principale).

Budget

La realizzazione della fresatrice CNC ha avuto un costo totale inferiore ai 300€, cifra irrisoria rispetto al prezzo di macchine di questo tipo, sia professionali che amatoriali. Ovviamente la costruzione ha necessitato di alcuni mesi e la frasatrice è in continua fase di debug & improvement.

I principali elementi acquistati in ordine di costo sono i seguenti:

  • Tavola 2m x 2m x 19mm (100€ ca.)
  • Motori stepper da 2A/ph (3 x 20€ ca.)
  • Scheda controllo motori (50€ ca.)
  • Viti e barili di fissaggio (30€ ca.)
  • Barre filettate (20€ ca.)
  • Profilati a L in alluminio (20€ ca.)
  • Boccole (20€ ca.)
  • Computer dedicato

Cosa posso realizzare?

Come tutte le attrezzature presenti in FabLab, anche la Fresa CNC è messa a disposizione di chi si mostri interessato a comprenderne il funzionamento e ad utilizzarla, perciò è importante sapere quali sono le lavorazioni che essa ci permette di attuare. Una fresa è un utensile rotativo in grado di asportare materia da un pezzo pieno sufficientemente solido, controllando la posizione della fresa tramite un computer è possibile automatizzare una procedura di "asportazione" anche molto più complessa di quelle che possono essere eseguite manualmente, rendendo possibile la realizzazione di modelli tridimensionali. Il processo è dunque simile a quello della stampa 3D: si parte da un modello 3D generato da un qualsiasi software e si arriva ad un oggetto materiale. Poichè però la stampa avviene sottrattivamente e non additivamente si hanno delle limitazioni in più al momento della progettazione dei pezzi. Le lavorazioni possibili sono fondamentalmente di due tipi, distinti in base alla complessità dei software necessari per il calcolo:

  • Scontornatura (lavorazioni "2D e mezzo") che consistono nel semplice taglio di superfici piane, con eventuale incisione e foratura.
Un interessante esempio di lavorazione di scontornatura di alcune lucertole a tassellazione nello stile di M.C. Escher.
  • Lavorazioni a tre assi nelle quali le potenzialità della macchina vengono sfruttate a pieno, in modo tale da realizzare superfici curve e pezzi più complessi.

Per avere maggiori informazioni sul funzionamento di questa macchina, ti consigliamo di visitare la pagina "WorkFlow Fresa CNC".

Un vantaggio rispetto alla stampa 3D ad estrusione è però il fatto che il volume di lavoro è molto maggiore e che possono essere direttamente lavorati un gran numero di materiali diversi, senza troppi accorgimenti. La CNC è in grado di lavorare:


Materiali

  • Legno "tenero" (come il pioppo, il pino ed il compensato) di qualsiasi spessore.
  • Legno MDF (medium density fibreboard) di qualsiasi spessore.
  • PVC, PP, policarbonato, PE, plexiglass ad alta densità (quello estruso, il più comune, danneggia le frese) ed altre materie plastiche.
  • Polistirolo (di qualsiasi tipo) e cere, materiali utilizzati per la creazione di modelli per Fusione a cera persa.

Le lavorazioni vanno dal taglio di pannelli tramite disegni 2D (scontornatura) alla rifinitura di superfici complesse.

Precisione

Alcune delle frese che utilizziamo nel pratico supporto.
Superficie curva che riproduce una vela (elemento di un progetto architettonico realizzato in collaborazione con il FabLab) ottenuto attraverso una lavorazione a tre assi. Il pezzo misura circa 7cm x 15cm, ha una definizione di un millimetro ed è stato realizzato in un'ora circa.

Dopo il primo aggiornamento l'errore medio riscontrato sui rettangoli di calibrazione è sceso dal 20% circa al 1-0.5% (negli ultimi test si è riscontrato un errore di 1-2mm su 200mm). L'errore non è basso, ma ne sono già state individuate le cause: essendo i carrelli fissati tramite silicone, il quale esercita una trazione minore della compressione data dalle viti agenti sui pezzi vicini, questi tendono a ruotare di qualche grado attorno all'asse della propria chiocciola. Sotto sforzo questa situazione genera una oscillazione regolare del punto di fresatura rendendo il taglio mediamente più largo.

La definizione della lavorazione dipende invece dalla dimensione della fresa montata, al momento in FabLab sono disponibili le seguenti punte (NB: lo spessore massimo lavorabile è dato dalla lunghezza dello stelo):

Punte

  • Punta ∅4mm stelo 20mm
  • Punta ∅3mm stelo 70mm
  • Punta ∅2mm stelo 8mm
  • Punta ∅1mm stelo 8mm (da usare con cautela)


Esempio di incisione su MDF. Questa è stata una delle prime lavorazioni ad essere state fatte, il gcode è stato compilato a mano partendo dal disegno sotto e rappresenta l'ingombro di un RaspberryP.(NB: non era ancora presente il motore dell'asse z)
Attraverso la scontornatura di pezzi ad incastro è possibile ottenere oggetti tridimensionali, come la scatola della foto, una anteprima (i pezzi sono solo appoggiati) della scatola per l'elttronica di potenza della CNC con i fori relativi al montaggio dei singoli elementi.

Costruzione

La meccanica della cnc appena finita
La prima versione delle chiocciole dell'asse z
La prima postazione CNC con elettronica DIY a vista poggiata sul piano di lavoro

La costruzione della meccanica ha seguito il progetto che potete trovare al sito http://www.instructables.com/id/DIY-CNC-Machine-36x22/?ALLSTEPS. Il nostro obiettivo è realizzare una macchina con un'ampia area di lavoro, dedicata quasi esclusivamente a lavorazioni leggere, essenzialmente legno e plastica, in grado di auto-replicarsi ( almeno in parte ) e auto-migliorarsi; inoltre la macchina è stata realizzata con materiali base reperibili da qualsiasi ferramenta/fai-da-te per questioni sia economiche ( il costo complessivo della macchina è stato mantenuto bassissimo, alle stime attuali siamo sui 150€ considerando anche l'elettronica ) sia per questioni di semplicità/replicabilità del progetto. Come materiale per la struttura abbiamo usato del semplice mdf da 2cm di spessore, lavorato a forza di trapano e seghetto alternativo e carta vetro, dopo avervi tracciato le sagome prese dal progetto ( disponibili gratuitamente sul sito ) con righe e squadre. Questo metodo si è rivelato vincente nella sua semplicità; pur non spaccando il millimetro come precisione ha garantito un'accuratezza sufficiente a mettere insieme la macchina "quasi" al primo colpo. Ovviamente con qualche correzione in itinere, ma ci stava. L'uso dei dadi a incastro stile IKEA, è molto pratico e quindi, nonostante il costo maggiore rispetto ai classici dadi esagonali, vivamente consigliato a chi volesse replicare l'opera. La solidità della struttura è soddisfacente e sicuramente ottima se si intende lavorare materiali teneri. Anche per quanto riguarda le rotaie abbiamo usato l'idea del progetto di utilizzare cuscinetti a sfere montati su angolari a L. Le maggiori difficoltà incontrate in questo punto sono state relative ai tagli a 45° sui lati dei pezzi in mdf, ma alla fine il seghetto alternativo ha avuto la meglio anche qui. Va da se che gli assi più piccoli ( l'Y e ancor più lo Z ) hanno dato maggiori problemi in quanto più sensibili ad errori nell'allineamento. Fino a questo punto non abbiamo apportato alcuna modifica sostanziale al progetto. Per quanto riguarda le viti senza fine e le chiocciole abbiamo incontrato subito un grosso problema: le viti trapeziate costano tantissimo. Le chiocciole di più. Così abbiamo provato a comprare delle barre filettate M12 ( al costo di circa 1.5€ al metro ) e dei dadi. Il dado singolo però ha un gioco decisamente troppo grande per l'uso che dovevamo farne, così a Luca è venuta l'ottima idea di usare due dadi distanziati da una molla sotto pressione con un'apposita guida. Questo sistema riduce moltissimo il gioco e sembra sufficientemente solido da garantire un buon movimento degli assi. Ovviamente ci sono dei contro, oltre la minore precisione rispetto ai sistemi commerciali, il passo della vite M12 infatti è meno di 2mm, quindi la velocità di spostamento massima consentita dagli stepper non sarà molto elevata, ma visto il risparmio vale la pena provare.Infine per accoppiare le barre ai motori stepper le abbiamo tornite siano a portare le estremità ad un diametro di 8mm. A queste vengono collegati i motori stepper tramite boccole in alluminio tornite partendo da una barra.

Dopo un breve esperimento con un multiutensile rotativo di scarsa affidabilità (si è liquefatto dopo 20 minuti di utilizzo) è stato acquistato un Dremel trio, una piccola fresa da 200w, che è al momento l'utensile proprio di questa macchina, speriamo di poterci presto permettere una fresa dalle prestazioni adeguate.

Aggiornamenti e sviluppo

La nuova elettronica inscatolata e funzionante.

Come tutte le macchine autocostruite la fresa cnc viene continuamente modificata, riparata e sviluppata in modo tale da renderla sempre più performante e fruibile da un ampio pubblico, qui di seguito viene tenuto un diario delle più importanti modiche apportate alla macchina dalla sua costruzione ad oggi.

In seguito alla costruzione e ad un primo mese di utilizzo, che hanno messo a dura prova ogni singolo componente della macchina, abbiamo individuato i punti deboli della struttura e la abbiamo smontata integralmente per apportare le dovute modifiche:

  • L'elettronica DIY è stata, con rammarico, abbandonata a causa della sua scarsa affidabilità, che ha messo a dura prova la pazienza degli addetti ai lavori al punto da mettere a rischio l'intero progetto (non se ne poteva veramente più).
  • Il carrello dell'asse y è stato completamente ridisegnato e ri-tagliato poichè manifestava numerose imperfezioni strutturali dovute al taglio con seghetto alternativo. I nuovi pezzi sembrano comportarsi meglio, ma è comunque molto difficile prendere con esattezza le misure relative ai carrelli, poichè questi sono montati su tagli a 45° che, per problemi di strumentazione, risultano molto meno precisi dei tagli perpendicolari.
  • Abbiamo sostituito la barra filettata dell'asse y con una in acciaio inox (la precedente è stata deformata e resa inutilizzabile dalla decentratura della chiocciola).
  • Abbiamo sostituito le chiocciole 2bulloni-style (le prime) con le più solide Chiocciole ALS in delrin progettate e realizzate in Fablab. Tutti i supporti sono stati ridisegnati e la posizione delle chiocciole è stata valutata alla luce della effettiva posizione della barra filettata, in modo tale da mantenere la centratura.
  • Inoltre la Fresa CNC dispone ora di un proprio stadio di alimentazione dedicato.
  • Dopo aver eseguito gli up-grade di cui sopra, alcuni test sotto sforzo hanno rivelato una tendenza della macchina a ruotare la testa sull'asse z, ciò è da imputarsi al fatto che i carrelli dell'asse y (perpendicolari all'asse z), i più piccoli, fossero parzialmente liberi di ruotare di alcuni gradi. Per evitare questo abbiamo stretto i supporti e li abbiamo fissati con bulloni M6 in aggiunta al silicone. In questo modo la macchina ha guadagnato una discreta solidità.

A questo punto la macchina garantiva prestazioni medio-basse dal punto di vista della velocità, così dopo aver posto rimedio ai principali intoppi ed alla mancanza di precisione, ci siamo concentrati sull'aspetto "tempo di lavorazione". Infatti la macchina necessitava di molta forza per spostare la testa porta utensile, anche quando non lavora. Questo rallenta molto i tempi ed è sintomo di una scarsa fluidità nei movimenti. Individuate le cause abbiamo proceduto a:

  • Acquistare e montare delle nuove boccole ai motori: le precedenti avevano problemi di aderenza del filetto delle viti di fissaggio.
  • Cambiare la barra filettata dell'asse x, il cui fusto era stato consumato dalle boccole precedenti.
  • Risagomare alcuni elementi in legno del ponte mobile.
  • Aggiungere dei supporti al ponte mobile, che in alcuni punti risultava flesso dallo sforzo.