Сборка 3D-принтеруемого ЧПУ-фрезерного станка: точность 0.05 мм по металлу и дереву — пошаговое руководство

В этом уроке научимся строить ЧПУ-станок с пошаговым руководством, чтобы вы могли легко собрать свой.

Это полностью 3D-печатаемый ЧПУ-станок (фрезер), который я спроектировал с двумя целями: максимальная жёсткость и максимальная простота сборки.

Обзор

Жёсткость напрямую влияет на производительность. Помимо гравировки и резки дерева, хотел, чтобы станок умел гравировать и резать алюминий. Оказалось — вполне уверенно.

Пример: фрезеровка пропеллера из алюминия. С легкой шлифовкой поверхность получилась супер-гладкой.

Тесты точности резкой различных фигур из алюминия. При правильных подачах и скоростях — точность в пределах 0.05 мм.

Думаю, это достойный результат для полностью 3D-печатного ЧПУ со штамповочным фрезером, Arduino UNO и GRBL для управления движением.

Гравировка алюминия — легко. Сделал брелоки с деталями <1 мм — отлично.

Пробовал гравировать латунь — тоже отлично.

Модель с Etsy

Этот 3D-печатный ЧПУ даже способен резать сталь.

Вторая цель — максимальная простота сборки: никаких электроинструментов для изготовления станка, никакой резки алюминиевых профилей пилой, сверления, нарезки резьбы. Ничего.

Буквально можно собрать только набором шестигранников, потому что я специально проектировал использование только стандартных компонентов, легко закупаемых на Amazon, AliExpress или другом магазине. По сути — DIY-кит, который просто собирается. Ниже полный список компонентов.

(Есть нюанс: нужен 3D-принтер для печати деталей. Но это не проблема — сейчас много сервисов 3D-печати, где можно заказать детали.)

Называю «полностью 3D-печатным», потому что вся конструкция основана на 3D-печати: пластины осей X и Z, крепление фрезера, даже подшипниковые блоки шариковых винтов — 3D-печать.

Дизайн оптимизирован для извлечения максимума из возможности печатать сложные детали. В комбинации с профилями 20×40 мм, линейными направляющими 15 мм и шариковыми винтами 16 мм, я получил достойную производительность. Станок гравирует и делает точные детали из алюминия, по дереву — легко: режет любую твёрдую породу, гравировка идеальна. Посмотрите на этот 3D-рельеф 340×340 мм в буке — выглядит потрясающе.

Рабочая зона 450×350×110 мм, но классная часть — легкое масштабирование.

Просто берём более длинные компоненты для профилей, направляющих и винтов по нужной оси — мгновенно получаем большую зону, остальные детали и сборка те же.

Ниже детали о том, какие компоненты определяют рабочую зону, чтобы выбрать нужные для желаемого размера.

Связанные проекты:

3D-модель и STL-файлы для скачивания

3D-модель этого DIY ЧПУ-станка доступна для просмотра в браузере на Onshape.

3D-модель и STL-файлы для 3D-печати можно получить на Cults3D.

Спецификация материалов (BOM)

Полный список компонентов для этой сборки ЧПУ.

Размеры указаны для точного размера, что я демонстрировал — рабочая зона 450×350 мм.

Компонент	Кол-во	Ссылки для покупки
Алюминиевый профиль 2080 – 600 мм (ось Y, кастомная длина)	2	Amazon | AliExpress
Алюминиевый профиль 2040 – 600 мм (база оси X, кастомная длина)	3	Amazon | AliExpress
Алюминиевый профиль 2040 – 700 мм (портál оси X, кастомная длина)	2	Amazon | AliExpress
Алюминиевый профиль 2040 – 200 мм	2	Amazon | AliExpress
Алюминиевый профиль 2040 – 100 мм	2	Amazon | AliExpress
Линейная направляющая HGR15 – 600 мм (ось Y, кастомная) и (ось X, кастомная)	4	Amazon | AliExpress
Линейная направляющая HGR15 – 300 мм (ось Z)	2	Amazon | AliExpress
Шариковый винт SFU1605 – 500 мм (ось Y, кастомная)	2	Amazon | AliExpress
Шариковый винт SFU1605 – 600 мм (ось X, кастомная)	1	Amazon | AliExpress
Шариковый винт SFU1605 – 300 мм (ось Z)	1	Amazon | AliExpress
Муфта валовая 8 мм на 10 мм	4	Amazon | AliExpress
Радиально-упорные подшипники 7001 P5-DB A-Pair (4 пары)	4 пары	Amazon | AliExpress
Гайка M12×1 мм	4	Amazon | AliExpress
Радиальный подшипник 6000-2RS	4	Amazon | AliExpress
Угловой крепёж 28×20×28 мм (с T-гайками M5 и болтами M5)	18	Amazon | AliExpress
Угловой крепёж 20×20×20 мм (с T-гайками M5 и болтами M5)	8	Amazon | AliExpress
T-гайка скользящая M5	100	Amazon | AliExpress
T-гайка молотковая M5	100	Amazon | AliExpress
T-гайка скользящая M4	50	Amazon | AliExpress
T-гайка молотковая M4	50	Amazon | AliExpress
Шаговый двигатель NEMA23	4	Amazon | AliExpress
Болты с внутренним шестигранником: M3×12 – 10 M3×16 – 5 M3×30 – 5 M4×10 – 5 M4×12 – 5 M4×14 – 60 M4×25 – 10 M5×12 – 50 M5×16 – 40 M5×20 – 40 M5×30 – 40 M5×50 – 25 M5×60 – 35 M5×70 – 5	-	Amazon | AliExpress

Disclosure: Партнёрские ссылки. Как ассоцииат Amazon зарабатываю на квалифицированных покупках.

Масштабирование ЧПУ — кастомный размер рабочей зоны

Чтобы увеличить рабочую зону, просто увеличьте длину алюминиевых профилей, линейных направляющих и шариковых винтов для нужной оси.

Например, увеличение оси Y с 450×350 до 450×750 мм: разница 750-350=400 мм, добавляем 400 мм к базовым длинам деталей оси Y:

• Профиль 2080 – 600 + 400 = 1000 мм
• Направляющая HGR15 – 600 + 400 = 1000 мм
• Шариковый винт SFU1605 – 500 + 400 = 900 мм

Тот же принцип для оси X. Но есть отличие: увеличение портала требует дополнительного ферменного элемента.

Масштабирование рабочей зоны по оси Y

Примечание: увеличение по оси X/порталу снижает жёсткость всей машины по сравнению с увеличением по оси Y, которое почти не влияет на жёсткость.

Сборка

Пошаговое видео-руководство по сборке этого DIY 3D-печатного ЧПУ-станка.

Обзор электроники

Разделил руководство: электронику, проводку, коробку управления, настройку и первые резки — в следующем видео.

Кратко: станок на Arduino и GRBL. Arduino UNO + CNC Shield для простого подключения и управления NEMA23 через драйверы DM542.

Прошивка — GRBL, управление и отправка G-кодов — Universal G-code Sender (оба open-source).

Не обязательно Arduino+GRBL; можно LinuxCNC, grblHAL, Mach3/4 и др. Arduino+GRBL — простейший и дешёвый вариант, но без продвинутых фич (реальное время, лучшая конфигурация). Если не хотите сами делать коробку управления — есть готовые коробки даже с кабелями для двигателей.

Подробное руководство по сборке коробки управления, настройке GRBL и управлению станком — в следующем видео. Также будет отдельное видео про спойлборд (waste board) и пылесборник (dust shoe), а также как начать и сделать первые резки и как сделаны демо-проекты.

Перед завершением покажу ещё пару вещей: жёсткость, точность и стоимость сборки.

Жёсткость и точность

Для демонстрации жёсткости: вставил вал 6 мм во фрезер, измеряю дефлекцию индикатором при приложении силы. Использую динамометр и цифровой индикатор.

Инструменты:
Динамометр: Amazon | AliExpress
Цифровой индикатор: Amazon | AliExpress

Сначала ось X. При 50 Н дефлекция фрезы ~0.16 мм, при 70 Н — ~0.24 мм. Ось Y: ~0.22 мм при 50 Н, ~0.32 мм при 70 Н. Чуть хуже, но ожидаемо для портального ЧПУ — обычно меньше жёсткость по Y vs X.

Ось Z: ~0.18 мм при 50 Н, ~0.25 мм при 70 Н.

Эта жёсткость дала точность в пределах 0.06 мм при фрезеровке алюминия с правильными подачами/скоростями.

Тестовая деталь из алюминия с настройками: черновка — 4 мм глубина, 1.2 мм ширина, 1200 мм/мин подача, смещение 0.3 мм. Финишный контур — 2 мм глубина, 500 мм/мин. Измерил цифровым индикатором — все формы во всех направлениях в пределах 0.06 мм.

Повторяю: достойный результат для полностью 3D-печатного ЧПУ с штамповочным фрезером и Arduino+GRBL.

Примеры работ

Проекты, сделанные на этом DIY ЧПУ:

• 3D-рельеф — модель с Etsy: Ram Head
• V-карвинг и черновка — модель с Etsy: Heart Box
• CNC инкрустация
• Гравировка алюминия
• Гравировка латуни
• Фрезеровка пропеллера из алюминия — модель с Etsy: Dragon Head

Оставайтесь на связи — будет больше контента по ЧПУ. Создам Discord или похожее для обмена опытом сборки, решения проблем и улучшения станка.