Für das Projekt „Holzwerken im Kindergarten“ wurden neben den beiden Kinderwerkbänken natürlich auch zwei Werkzeugkästen benötigt, in denen die Werkzeuge aufbewahrt werden können. Hier war schnell klar, dass diese Werkzeugkästen mit der CNC Fräse angefertigt werden sollten. Alles andere wäre zu zeitaufwändig geworden, da der erste Einsatz der Kinderwerkbänke unmittelbar bevorsteht.
Die DXF Daten
Zunächst hatte ich geplant, den Werkzeugkasten am CAD selbst zu konstruieren. Ich bin dann aber bei meiner Ideensuche auf die Webseite aribabox.com gestoßen. Dort werden die DXF Daten für einen Werkzeugkasten für knapp 10 EUR zum Kauf angeboten. Und damit wir klar, dass eine Eigenkonstruktion nicht mehr sinnvoll war.
Der digitale Kaufprozess funktionierte reibungslos und schon wenige Minuten später hatte ich den Dowload-Link für die DXF-Daten von Aribabox in meiner Email.
Die gekauften Daten für die Werkzeugkiste sind von hervorragender Qualität – es werden DXF Dateien sowohl in Metrischen als auch imperialen Maßen bereitgestellt. Zudem sind die Bauteile bereits für den Einsatz auf verschieden großen CNC Fräsen gruppiert und entsprechend vorbereitet. Die gelieferten DXF-Daten sind also auch für die Besitzer kleinerer CNC-Fräsen passend gruppiert.
Weiterhin gibt es eine ausführliche Montageanleitung und Hinweise, wie die Werkzeugwege zu legen sind.
Materialeinkauf
Als Material für die Werkzeugkiste kommt dabei 9mm Birkenmultiplex zum Einsatz. Ich habe im Holzhandel zwei ganze Platten mit den Abmessungen 2500x1250mm gekauft, die allerdings zum Transport mittig geteilt wurden. Somit standen mir insgesamt vier Platten von 1250mmx1250mm zur Verfügung, die dann auch komplett zu vier Werkzeugkisten verarbeitet wurden.
Vorbereiten des G-Code
Die DXF Dateien wurden mit der CAM Software VCARVE von Vectric aufbereitet. Das Vorgehen dabei ist wie folgt: Zunächst werden die verschiedenen Konturen der DXF Datei auf verschiedene Layer gelegt. Also ein Layer auf dem alle Konturen liegen die Außen gefräst werden, ein Layer für alle Konturen die Innen gefräst werden und ein Layer in dem alle Konturen auszufräsenden Taschen liegen. Um es übersichtlich zu halten wird dazu jedem Layer eine eigene Farbe zugewiesen.
Zum Schluß wird noch ein zusätzlicher Layer mit dem Namen „Schrauben hinzugefügt. Dieser dient dazu, Bohrungen zu markieren, mit denen die Multiplexplatte auf der Opferplatte der CNC Fräse festgeschraubt werden kann, ohne dass es beim Fräsen zu einer Kollision kommt.
Im Layer Abmessungen sind die Bemaßungen untergebracht, falls erforderlich.
Hier der Blick auf das Werkstück mit allen eingeblendeten Lasern.
Um jetzt die Werkzeugpfade zu definieren, schaltet man einfach alle Layer bis auf den gewünschten aus, für den die Werkzeugpfade erzeugt werden sollen. Der nun angezeigte Layer beinhaltet jetzt alle Konturen für den entsprechenden Bearbeitungsschritt. Mit STRG-A werden alle angezeigten Konturen aktiviert und anschließen der gewünschte Bearbeitungsschritt mit einem Klick allen sichtbaren Konturen zugewiesen. Mit dieser Methode erspart man sich das mehrfache mühsame anklicken aller Konturen, wenn die Werkzeugpfade optimiert oder anderweitig verändert werden müssen.
Es werden nacheinander die Werkzeugwege für das Fräsen der Taschen, der Innenkonturen und zum Schluß der Außenkonturen erzeugt. Die Außenkonturen werden zudem mit Stegen versehen, um die einzelnen Teile beim Fräsen sicher an Ort und Stelle zu halten.
Sind alle Bearbeitungsschritte definiert, ist es sinnvoll mit der Simulationsfunktion von VCARVE alle Abläufe auszutesten. Und wenn hier alles stimmt, kann der G-Code für den Einsatz auf der CNC Fräse abgespeichert werden.
Die Fräsparameter
Die Fräsparameter werden in VCARVE den einzelnen Werkzeugen zugeordnet und dann beim Definieren des Bearbeitungsschrittes automatisch in den entsprechenden G-Code für die Werkzeugwege mit übernommen.
Ich habe hier mit einer Schneidengeschwindigkeit von 450m/s das Bearbeiten von hartem Holz gerechnet. Der zulässige Zahnvorschub für einen 3mm Fräser liegt bei 0,035mm. Das ergibt dann bei einer maximalen Drehzahl meiner Frässpindel einen Vorschub von 24mm/sec.
Der Fehler der von Hobby-Fräsern vielfach gemacht wird, ist der zu geringe Zahnvorschub beim Fräsen – insbesondere wenn es um Multiplexplatten geht. Dadurch wird der Fräser sehr warm (die Späne führen nämlich auch die Reibungswärme beim fräsen ab) und die Folge sind sehr kurze Standzeiten der Fräser.
Wenn der Zahnvorschub passt, kann – hochwertige Fräser vorausgesetzt – mit bis 4fachem Fräserdurchmesser gefräst werden. Daher wurden hier alle Außenkonturen in einer Zustellung mit 9,4mm Tiefe gefräst. Die vier Zehntel Zugabe in der Frästiefe sind sinnvoll, weil das Multiplex in der Regel immer ein paar Abweichungen in der Stärke hat und man ja sicher durchfräsen will.
Falls hier Interesse bei meinen Lesern besteht, wie man die optimalen Fräsparameter für die eigene Fräse rechnerisch ermittelt, bitte ich um einen entsprechenden Kommentar. Ich werde dann einen Artikel zu diesem Thema verfassen.
Der Fräsvorgang auf der CNC
Nachdem der G-Code für die einzelnen Bearbeitungsschritte vorliegt, kann die CNC Fräse vorbereitet werden. Da wir hier Taschen Fräsen, die sich später auf der Innenseite der Werkzeugkiste befinden, ist es wichtig, dass wir die Multiplexplatte mit der schönen Seite nach unten auf die Fräse legen. (Anmerkung: Jede Multiplexplatte hat eine A und eine B-Seite. Die B-Seite ist die mit den Flickstellen und anderen kleineren Fehlstellen.)
Die Platte wird an den vier Ecken mit kleinen SPAX-Schrauben 3,5×16 befestigt, damit sie nicht verrutscht.
Im ersten Arbeitsgang werden die Löcher für die zusätzlichen Befestigungsschrauben gebohrt. Diese zusätzlichen Schrauben stellen sicher, dass die gesamte Platte plan und ohne Wölbung auf der Opferplatte aufliegt. Wir auf diese Schrauben verzichtet, kann es passieren dass sich die Platte während des Fräsen aufgrund innerer Spannungen plötzlich leicht aufwölbt, was zur Folge hat, dass die Teile nicht mehr wirklich passgenau sind.
Der zweite Arbeitsgang ist das Fräsen der Taschen, gefolgt vom Fräsen der Innenkonturen. Der letzte Arbeitsgang ist das Fräsen der Außenkonturen.
Sind alle Konturen und Taschen gefräst, wird mit dem Exzenterschleifer die gesamte Platte auf beiden Seiten überschiffen. Das geht schnell und erspart das mühsame Schleifen der Einzelteile.
Anschließend werden die Stege der Einzelteile mit dem bewährten Stanley Werkzeugmesser getrennt und die Teile herausgenommen.
Es folgt das Abrunden aller Außenkanten der einzelnen Bauteile auf dem Minifrästisch. Es kommt eine Radiusfräser mit 3mm zum Einsatz. Ein Blick auf die Bauteile für insgesamt drei Werkzeugkisten.
Der nächste Schritt ist das Einschlagen der selbstsichernden Muttern der Größe M4 in die verschiedenen Bauteile der Werkzeugkiste.
Die ganze Werkzeugkiste wird nur zusammengesteckt und verschraubt. Dadurch geht der Zusammenbau recht schnell vonstatten. Die Passungen sind sehr gut, die einzelnen Teile können leicht mit einem Schonhammer bündig zusammengefügt werden.
Um im weiteren Verkauf das Zusammenstecken der einzelnen Teile der Werkzeugkiste zu erleichtern, wurden die Kanten der Zapfen ganz leicht angeschrägt. So lassen sie sich einfacher in die Taschen stecken, auch wenn das Bauteil aufgrund innerer Spannungen im Holz leicht verzogen ist.
Für das Verschrauben sind in den originalen Plänen Schrauben der Größe 4×25 vorgesehen. Diese erschienen mir allerdings etwas zu groß, zumal hier nur 9mm starkes Multiplex stirnseitig verschraubt wird. Daher habe ich stattdessen SPAX 3,5×25 einsetzt, was sich als ideal erwiesen hat, da diese Schrauben etwas kleinere Senkköpfe als die 4er Schrauben haben und daher auf das Ansenken der Bohrungen verzichtet werden konnte.
Da die SPAX Schrauben eigentlich auch ohne Vorbohren sehr gut ins Holz gehen, wurde Anfangs auf das Vorbohren in den Stirnseiten verzichtet. Hier wurde ich allerdings schnell eines Besseren belehrt – das Multiplex platzte insbesondere an den Enden der Bauteile beim Eindrehen der Schrauben auf.
Von da an wurde konsequent mit einem 2,5mm Bohrer vorgebohrt, bevor die SPAX schrauben eindreht wurden.
Um an kritischen Stellen, bei denen die Schrauben sehr nahe an den Kanten sitzen, auf Nummer sicher zu gehen und Ausbrüche sicher zu vermeiden, wurden die Bereiche um die Bohrungen herum mit einer angesetzten Zwinge stabilisiert.
Das verhindert sicher, dass die Schraube das Multiplex aufspreizt.
Und in der Hitze des Gefechts wurden beim Zusammenbau der oberen beiden Kästen die beiden Deckel gleich angeordnet mit der Folge dass diese nicht ineinander passten.
Jetzt zeigten sich die Vorteile der verschraubte Bauweise: Einfach die Schrauben herausdrehen, den Deckel umdrehen und wieder alles zusammenschrauben. Nach der Montage der ersten Werkzeugkiste waren die beiden Deckel allerdings sehr schwergängig. Es wurden daher mit etwas Schleifleinen die Bohrungen geglättet und etwas stärker ausgerundet.
Für den Zusammenbau der weiteren Werkzeugkisten wurden die Teile immer entsprechend bereit gelegt, um Montagefehler zu vermeiden.
Die beweglichen Teile sind mittels M4x40 Linsenkopfschrauben verschraubt. Ich habe hier Linsenkopfschrauben mit Innensechskant verwendet, die ich noch in meinem Fundus hatte.
Da die Schraubenköpfe teilweise sehr nah an den Böden / Wänden liegen, erfolgt das Verschrauben mit einem WERA Sechskantschraubendreher mit Kugelkopf. Vorteil: dieser kann auch abgewinkelt an den engen Stellen eingesetzt werden.
Und hier der Blick auf einen der fertig montierten Werkzeugkisten:
Mein Fazit
Die Entscheidung die Werkzeugkisten mit der CNC Fräse anzufertigen war absolut richtig. Nur so konnte ich an einem Wochenende alle drei Werkzeugkisten anfertigen. Dank des 9mm Multiplex sind diese Werkzeugkisten sehr stabil aber dennoch vom Gewicht her nicht zu schwer.
Genau das Richtige also für den kommenden „harten Einsatz“ im Kindergarten.
Die von Aribabox.com angebotenen DXF-Dateien für einen Werkzeugkasten sind eine gute Wahl – man erkennt hier sofort das die Entwürfe nicht nur auf dem Computer existieren, sondern auch wirklich erprobt und mehrfach optimiert sind. Wer also erprobte Entwürfe für den Einsatz mit der eigenen CNC-Fräse oder auch der ShaperOrigin sucht, der kann bei Aribabox.com umbesorgt zugreifen.
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