Construa uma fresadora CNC impressa em 3D:precisão de 0,05 mm em metal e madeira – guia passo a passo

Neste tutorial, aprenderemos como construir uma máquina CNC com um guia passo a passo para que você possa construir uma facilmente por conta própria. 

Esta é uma máquina CNC totalmente impressa em 3D ou uma roteadora CNC que projetei com dois objetivos específicos em mente:ser o mais rígido possível e o mais simples possível de construir.

Visão geral

Ser rígida afeta diretamente o desempenho da máquina e além de gravar e cortar madeira, eu queria que esta fresadora CNC fosse capaz de gravar e cortar alumínio. Acontece que ele pode fazer isso com bastante confiança.

Aqui está um exemplo de usinagem de uma hélice de alumínio. Com apenas um pouco de lixamento, o acabamento da superfície da hélice ficou super liso.

Também fiz alguns testes de precisão cortando vários formatos de alumínio. Se usarmos avanços e velocidades apropriados, poderemos obter as peças de alumínio com precisão de 0,05 mm.

Acho que é uma precisão de descida, considerando que é uma máquina CNC impressa em 3D, usando um roteador aparador e um Arduino UNO e GRBL para o controle de movimento. 

Gravar alumínio é muito fácil. Fiz algumas gravuras de chaveiros com detalhes muito pequenos com menos de 1 mm e ficaram ótimas.

Também tentei gravar latão que também ficou ótimo.
Modelo da Etsy
Esta roteadora CNC impressa em 3D é até capaz de cortar aço.

Meu segundo objetivo para esta máquina CNC era ser o mais simples possível de construir, o que significava que eu não queria usar nenhuma ferramenta elétrica para fazer a máquina, sem cortar extrusões de alumínio com uma serra, sem perfurar, sem rosquear…. Nada.

Literariamente, você pode construir esta máquina CNC com apenas um conjunto de chaves Allen, porque eu a projetei especificamente para utilizar apenas componentes padrão que podem ser facilmente adquiridos em sites como Amazon, AliExpress ou qualquer outra loja de sua escolha. Então, é quase como um kit DIY que você só precisa montá-lo. Abaixo você encontra a lista completa de componentes necessários para esta construção CNC.

Embora (há uma ressalva é claro), você precise de uma impressora 3D para fazer esta máquina CNC , mas eu não acho que seja grande coisa, como se você não tivesse uma, hoje em dia existem muitos serviços de impressão 3D de onde você pode facilmente obter as peças impressas em 3D para ela.

Estou chamando-a de uma máquina CNC totalmente impressa em 3D, já que toda a estrutura do CNC é baseada em peças impressas em 3D, incluindo as placas dos eixos X e Z, a montagem da fresadora e até os blocos de rolamento do parafuso esférico são impressos em 3D.

O design foi otimizado para aproveitar ao máximo o fato de que podemos imprimir facilmente peças complexas com uma impressora 3D. Em combinação com algumas extrusões de alumínio de 20 x 40 mm, trilhos lineares de 15 mm e parafusos esféricos de 16 mm, acho que consegui obter um desempenho decente. É capaz de gravar e até mesmo peças de precisão em alumínio, e os projetos de madeira são uma brisa; ele pode cortar com facilidade qualquer madeira dura, e as gravuras em madeira são simplesmente perfeitas. Basta dar uma olhada neste relevo 3D de 340x340mm em madeira de faia. Parece impressionante.

A área de trabalho tem 450x350x110mm, mas o mais legal é que podemos dimensionar facilmente esta máquina CNC.

Podemos simplesmente usar componentes mais longos para algumas das extrusões de alumínio, trilhos lineares e parafusos esféricos, e obtemos instantaneamente uma área de trabalho maior, enquanto todos os outros componentes e o próprio processo de montagem permanecem os mesmos.

Abaixo você encontra detalhes sobre quais componentes definem a área de trabalho da máquina, para que você possa obter a área de trabalho desejada escolhendo os componentes certos.

Projetos relacionados:

Modelo 3D e arquivos de download STL

Você pode visualizar o modelo 3D desta máquina CNC DIY diretamente no seu navegador com o Onshape.

Você pode obter o modelo 3D desta máquina CNC DIY, bem como os arquivos STL para impressão 3D em Cults3D.

Lista de Materiais

Abaixo está a lista completa de componentes necessários para esta construção CNC DIY.

As dimensões fornecidas são exatamente do mesmo tamanho do edifício CNC que demonstrei com área de trabalho de 450x350mm.
Componente Quantidade Links de compra Extrusão de Alumínio 2080 – 600mm
(Eixo Y, comprimento personalizado)2Amazon |AliExpress Extrusão de Alumínio 2040 – 600mm
(Base do eixo X, comprimento personalizado)3Amazon | AliExpress Extrusão de Alumínio 2040 – 700mm
(Pórtico do eixo X, comprimento personalizado)2Amazon |AliExpress Extrusão de alumínio 2040 – 200mm2Amazon |AliExpress Extrusão de Alumínio 2040 – 100mm2Amazon |AliExpress Trilho Linear HGR15 – 600mm
(Eixo Y, comprimento personalizado) e (eixo X, comprimento personalizado)4Amazon |AliExpress Trilho Linear HGR15 – 300mm (eixo Z)2Amazon |AliExpress Fuso Esférico SFU1605 – 500mm
(Eixo Y, comprimento personalizado)2Amazon |AliExpress Fuso Esférico SFU1605 – 600mm
(Eixo X, comprimento personalizado)1Amazon |AliExpress Parafuso de esfera SFU1605 – 300 mm (eixo Z)1Amazon |AliExpress Acoplador de eixo 8mm a 10mm4Amazon |AliExpress Rolamentos de contato angular – 7001 P5-DB A-Pair (4 pares)Amazon |AliExpress Contraporca M12x1mm4Amazon |AliExpress Rolamento radial de esferas – 6000 – 2RS 4Amazon |AliExpress Suporte de canto 28x20x28mm
(com porcas de ranhura em T e parafusos M5 adequados)18Amazon |AliExpress Suporte de canto 20x20x20mm
(com porcas de ranhura em T e parafusos M5 adequados)8Amazon |AliExpress Porca T deslizante M5100Amazon |AliExpress Cabeça de martelo M5 T-nut100Amazon |AliExpress Porca T deslizante M450Amazon |AliExpress Cabeça de martelo M4 T-nut50Amazon |AliExpress Motor de passo NEMA23 4Amazon |AliExpress Cabeça de soquete de parafusos
M3x12mm – 10
M3x16mm – 5
M3x30mm – 5
M4x10mm – 5
M4x12mm – 5
M4x14mm – 60
M4x25mm – 10
M5x12mm – 50
M5x16mm – 40
M5x20mm – 40
M5x30mm – 40
M5x50mm – 25
M5x60mm – 35
M5x70mm – 5 /Amazônia | AliExpress
Divulgação:Estes são links afiliados. Como associado da Amazon, ganho com compras qualificadas.

Escalonamento do CNC – Tamanho da área de trabalho personalizado

Se desejar aumentar a área de trabalho do CNC, basta aumentar o tamanho das extrusões de alumínio, dos trilhos lineares e dos parafusos de esferas para o eixo específico.

Por exemplo, para aumentar a área de trabalho no eixo Y, de 450x350mm para 450x750mm, precisamos aumentar o comprimento da extrusão de alumínio do eixo Y, do trilho linear e do fuso de esferas. A diferença é 750-350 =400 mm, então precisamos adicionar 300 mm aos comprimentos de base desta máquina CNC para as peças do eixo Y. Isso seria:

• Extrusão de alumínio 2080 – 600mm + 400mm =1000mm
• Trilho Linear HGR15 – 600mm + 400mm =1000mm
• Fuso de esfera SFU1605 – 500mm + 400mm =900mm

O mesmo princípio é utilizado para dimensionar a área de trabalho da máquina no eixo X. Porém, há uma diferença aqui, pois aumentaríamos o tamanho do pórtico, precisaríamos adicionar outro elemento de estrutura de treliça.
Dimensionando a área de trabalho da máquina CNC no eixo Y
Observe que aumentar o tamanho da máquina no eixo X ou no pórtico resultaria na redução da rigidez de toda a máquina, em comparação com o aumento do tamanho no eixo Y, que quase não afeta a rigidez de toda a máquina.

Montagem

Você pode seguir o vídeo a seguir para obter um guia passo a passo completo sobre como construir esta máquina CNC impressa em 3D DIY.

Visão geral dos eletrônicos

 decidi dividir este guia de construção de CNC e explicar a eletrônica e como fazer a fiação e a caixa de controle desta máquina CNC, bem como como configurar a máquina e fazer seus primeiros cortes com ela, no meu próximo vídeo. 

Muito rápido, esta máquina CNC é baseada em Arduino e GRBL. Usei um Arduino UNO em combinação com um escudo CNC para conectar tudo com facilidade e para acionar os motores de passo NEMA23, usei drivers de passo DM542.

O firmware de controle de movimento é GRBL e, para controlar a máquina e enviar códigos G para ela, usei o remetente de código G universal, ambos de código aberto.

Quero dizer, não precisa ser Arduino e GRBL; poderíamos usar qualquer outro controlador CNC com esta construção CNC como, por exemplo, LinuxCNC, grblHAL, Mach 3 ou Mach 4 e outros. Esta combinação Arduino e GRBL é a opção mais simples e barata para um controlador CNC, mas é claro que carece de alguns recursos avançados, como controle em tempo real e melhor configurabilidade. Se você não se sentir confortável em fazer a caixa de controle por conta própria, existem caixas de controle CNC prontas para uso, mesmo com os cabos para os motores de passo incluídos.

De qualquer forma, para obter um guia detalhado sobre como construí a caixa de controle para esta fresadora CNC impressa em 3D e como configurar o GRBL e controlar a máquina, confira o próximo vídeo. Haverá também um vídeo separado onde mostrarei como fazer a placa de resíduos e a sapata de pó para esta máquina CNC, bem como explicarei em detalhes como começar e fazer seus primeiros cortes na máquina CNC e como fiz esses projetos de demonstração que estamos vendo aqui.

Antes de terminarmos este tutorial, gostaria de mostrar mais algumas coisas, ou quão rígida e precisa essa máquina é e quanto custa para construí-la. 

Rigidez e Precisão

Para demonstrar a rigidez desta máquina CNC, inseri um eixo de 6 mm na fresadora e, usando um relógio comparador, medirei o quanto a máquina desviará quando uma força for aplicada a ela. Estou usando um medidor de força e um relógio comparador para essa finalidade.

As ferramentas de medição:
Medidor de força:Amazon | AliExpress
Indicador digital:Amazon | AliExpress

Primeiro, estou testando a rigidez do eixo X. Com uma força de 50N, a fresa de topo desvia cerca de 0,16mm, ou 0,24mm com uma força de 70N. Por outro lado, a deflexão no eixo Y foi em torno de 0,22 mm com uma força de 50N e em torno de 0,32 mm com uma força de 70N.

Esse é um resultado um pouco pior, mas era esperado, pois esta é uma máquina CNC estilo pórtico que geralmente tem menos rigidez no eixo Y em comparação com o eixo X. 

Quanto à rigidez do eixo Z, medi cerca de 0,18 mm de deflexão com uma força de 50N e 0,25 mm com uma força de 70N.

Essa rigidez da fresadora CNC resultou em precisão de até 0,06 mm ao cortar alumínio usando avanços e velocidades apropriados.

Fiz esta peça de teste em alumínio com as seguintes configurações. Para o desbaste, 4 mm DOC, 1,2 mm WOD e taxa de avanço de 1200 mm/min. O deslocamento foi de 0,3 mm. Em seguida, para a passagem de contorno final, DOC de 2 mm com taxa de avanço de 500 mm/min. Medi a peça com um relógio comparador digital e todas as formas em todas as direções tinham precisão de 0,06 mm.

Direi de novo; Acho que é um resultado bastante decente, considerando que é uma fresadora CNC totalmente impressa em 3D, usando um roteador aparador e um Arduino e GRBL para controle de movimento.

Mostra

Aqui estão alguns dos projetos que fiz com esta máquina CNC DIY.

• Relevo 3D

Modelo da Etsy – Ram Head

• Escultura e desbaste em V

Modelo da Etsy – Heart Box

• Incrustação CNC

• Gravação em alumínio

• Gravura em latão

Modelo da Etsy – Dragon Head

• Usinar uma hélice de alumínio

No entanto, fique atento, pois mais conteúdo relacionado ao CNC está chegando. Também farei um Discord ou similar para todos para que compartilhem suas experiências na construção desta máquina CNC e criem uma comunidade em torno dela para resolver problemas e melhorar a máquina.