3D プリント CNC ルーターの構築:金属および木材で 0.05 mm の精度 – ステップバイステップガイド
このチュートリアルでは、ステップバイステップのガイドを使用して CNC マシンを構築する方法を学び、自分で簡単に構築できるようにします。
これは、完全 3D プリントされた CNC マシンまたは CNC ルーターで、できる限り剛性を高くすることと、できるだけ簡単に構築できるようにするという 2 つの具体的な目標を念頭に置いて設計しました。
概要
剛性が高いことは機械のパフォーマンスに直接影響するため、木材の彫刻と切断に加えて、この CNC ルーターにはアルミニウムの彫刻と切断もできるようにしたいと考えていました。それは非常に自信を持って実行できることがわかりました。
これはアルミニウムからプロペラを加工する例です。 ほんの少しサンディングするだけで、プロペラの表面は非常に滑らかに仕上がりました。
また、アルミニウムからさまざまな形状を切り出し、いくつかの精度テストも行いました。 適切な送りと速度を使用すれば、0.05 mm 以内の精度でアルミニウム部品を得ることができます。
これがトリマールーターを使用した3DプリントCNCマシンであり、モーションコントロールにArduino UNOとGRBLを使用していることを考慮すると、これは降下精度だと思います。
アルミニウムの彫刻は簡単です。 1 mm 未満の非常に細かいディテールでキーホルダーをいくつか彫刻しましたが、素晴らしい仕上がりになりました。
真鍮にも彫刻してみましたが、これも素晴らしい結果でした。
Etsy のモデルこの 3D プリントされた CNC ルーターは、鋼材を切断することもできます。
この CNC マシンの 2 番目の目標は、できるだけ簡単に構築できるようにすることでした。つまり、マシンの作成に電動工具を使用したくなかったのです。アルミニウムの押し出し材をノコギリで切断したり、穴あけやタップ加工をしたりする必要はありませんでした。何もありません。
文字通り、この CNC マシンは一連の六角レンチだけで構築できます。これは、Amazon、AliExpress、またはその他の任意のストアなどのサイトから簡単に入手できる標準コンポーネントだけを利用するように特別に設計したためです。 したがって、組み立てるだけで済む DIY キットとほとんど同じです。 以下に、この CNC 構築に必要なコンポーネントの完全なリストを示します。
ただし（もちろん注意事項がありますが）、この CNC マシンを作るには 3D プリンターが必要ですが、それは大したことではないと思います。今日では、3D プリント サービスが非常に多くあり、そこから 3D プリントされたパーツを簡単に入手できます。
私はこれをフル 3D プリント CNC マシンと呼んでいます。X 軸と Z 軸のプレート、ルーター マウント、さらにはボール ネジ ベアリング ブロックなど、CNC 構造全体が 3D プリントされた部品に基づいているためです。
3D プリンターで複雑な部品を簡単に印刷できるという事実を最大限に活用するために、デザインが最適化されました。 20x40mmのアルミニウム押し出し材、15mmのリニアレール、16mmのボールネジと組み合わせて、なんとかまともなパフォーマンスを引き出すことができたと思います。 アルミニウムから彫刻や精密部品さえも作成でき、木製プロジェクトは簡単です。 あらゆる広葉樹を簡単に切断でき、木の彫刻も完璧です。 この340x340mmのブナ広葉樹の3Dレリーフをご覧ください。素晴らしいですね。
作業領域は 450x350x110mm ですが、最も素晴らしい点は、この CNC マシンを簡単に拡張できることです。
一部のアルミニウム押し出し材、リニア レール、ボールネジに長いコンポーネントを使用するだけで、他のすべてのコンポーネントと組み立てプロセス自体は同じままで、作業領域がすぐに広くなります。
以下に、マシンの作業領域を定義するコンポーネントに関する詳細が記載されているため、適切なコンポーネントを選択することで、希望する作業領域を得ることができます。
関連プロジェクト:
3D モデルおよび STL ダウンロード ファイル
Onshape を使用すると、この DIY CNC マシンの 3D モデルをウェブブラウザで直接表示できます。
この DIY CNC マシンの 3D モデルと、3D プリント用の STL ファイルを Cults3D から入手できます。
部品表
以下は、この DIY CNC 構築に必要なコンポーネントの完全なリストです。
指定された寸法は、450x350mm の作業領域でデモンストレーションした CNC の構築とまったく同じサイズです。
(Y 軸、カスタム長さ)2アマゾン | AliExpress アルミフレーム 2040～600mm
(X 軸ベース、カスタム長さ)3アマゾン | アリエクスプレス アルミフレーム 2040～700mm
(X 軸ガントリー、カスタム長さ)2アマゾン | AliExpress アルミニウム押出材 2040 – 200mm2アマゾン | AliExpress アルミニウム押出材 2040 – 100mm2アマゾン | AliExpress リニアレール HGR15～600mm
(Y 軸、カスタム長さ) &(X 軸、カスタム長さ)4Amazon | AliExpress リニアレール HGR15 – 300mm (Z 軸)2アマゾン | AliExpress ボールねじ SFU1605 – 500mm
(Y 軸、カスタム長さ)2アマゾン | AliExpress ボールねじ SFU1605 – 600mm
(X 軸、カスタム長さ)1アマゾン | AliExpress ボールねじ SFU1605 – 300mm (Z 軸)1Amazon | AliExpress シャフトカプラー 8mm ～ 10mm4Amazon |アリエクスプレス アンギュラコンタクトベアリング – 7001 P5-DB A ペア (4 ペア)Amazon | AliExpress M12x1mm ロックナット 4アマゾン | AliExpress ラジアルボールベアリング – 6000 – 2RS 4アマゾン | AliExpress コーナーブラケット 28x20x28mm
(適切な T スロット ナットと M5 ボルトを使用)18Amazon | AliExpress コーナーブラケット 20x20x20mm
(適切な T スロット ナットと M5 ボルトを使用)8Amazon | AliExpress M5 スライド T ナット 100アマゾン | AliExpress M5 ハンマーヘッド T ナット 100アマゾン | AliExpress M4 スライド T ナット 50アマゾン | AliExpress M4 ハンマーヘッド T ナット 50アマゾン | AliExpress ステッピング モーター NEMA23 4アマゾン | AliExpress ボルトソケットヘッド
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 /アマゾン | アリエクスプレス
開示:これらはアフィリエイト リンクです。 Amazon アソシエイトとして、 私は対象商品を購入することで収入を得ています。
CNC のスケーリング – カスタム作業領域サイズ
CNC の作業領域を増やしたい場合は、特定の軸のアルミニウム押し出し材、リニア レール、およびボールネジのサイズを増やすだけです。
例えば、Y軸の作業領域を450×350mmから450×750mmに増やすには、Y軸のアルミフレーム、リニアレール、ボールネジの長さを長くする必要があります。その差は750-350=400mmなので、このCNC機械のY軸部分のベース長に300mmを加える必要があります。それは次のようになります:
- アルミニウム押出材 2080 – 600mm + 400mm =1000mm
- リニア レール HGR15 – 600mm + 400mm =1000mm
- ボールねじ SFU1605 – 500mm + 400mm =900mm
同じ原理が、X 軸での機械の作業領域のスケーリングにも使用されます。ただし、ガントリーのサイズを大きくする場合は、別のトラス構造要素を追加する必要があるため、ここには 1 つ違いがあります。
CNC マシンの作業領域を Y 軸でスケーリングするX 軸またはガントリーの機械のサイズを大きくすると、機械全体の剛性にほとんど影響を与えない Y 軸のサイズの増加と比較して、機械全体の剛性が低下することに注意してください。
組み立て
この DIY 3D プリント CNC マシンの構築方法に関する完全なステップバイステップ ガイドについては、次のビデオをご覧ください。
エレクトロニクスの概要
この CNC ビルド ガイドを分割し、次の動画でこの CNC マシンの電子部品と配線とコントロール ボックスの作り方、マシンのセットアップ方法と最初のカットの実行方法を説明することにしました。
早速ですが、この CNC マシンは Arduino と GRBL に基づいています。すべてを簡単に接続するために Arduino UNO と CNC シールドを組み合わせて使用し、NEMA23 ステッピング モーターを駆動するために DM542 ステッピング ドライバーを使用しました。
モーション コントロール ファームウェアは GRBL で、マシンの制御とマシンへの G コードの送信には、ユニバーサル G コード センダーを使用しました。どちらもオープンソースです。
つまり、Arduino と GRBL である必要はありません。この CNC ビルドでは、LinuxCNC、grblHAL、Mach 3 または Mach 4 などの他の CNC コントローラーを使用できます。 この Arduino と GRBL の組み合わせは、CNC コントローラーとしては最もシンプルで安価なオプションですが、もちろん、リアルタイム制御や優れた構成機能などの高度な機能が欠けています。 コントロール ボックスを自分で作ることに不安がある場合は、ステッピング モーター用のケーブルも付属した、すぐに使用できる CNC コントロール ボックスが存在します。
とにかく、この 3D プリント CNC ルーター用のコントロール ボックスをどのように構築したか、そして GRBL をセットアップしてマシンを制御する方法についての詳細なガイドについては、次のビデオをご覧ください。 また、この CNC マシン用の廃棄ボードとダスト シューの作り方を説明する別のビデオもあります。また、CNC マシンの開始方法と最初のカットの作成方法、およびここで紹介しているデモ プロジェクトの作成方法について詳しく説明します。
このチュートリアルを終了する前に、さらにいくつかのこと、つまりこの機械がどれほど剛性と正確性を持っているか、また製造にどれくらいの費用がかかるかを紹介したいと思います。
剛性と精度
この CNC マシンの剛性を実証するために、ルーターに 6 mm シャフトを挿入し、ダイヤル インジケータを使用して、力が加えられたときにマシンがどれだけたわむかを測定します。そのために私は力計とダイヤルインジケーターを使用しています。
測定ツール:
フォースメーター:アマゾン | アリエクスプレス
デジタル ダイヤル インジケーター:Amazon | アリエクスプレス
まずはX軸の剛性をテストします。 50Nの力でエンドミルは約0.16mm、70Nの力で0.24mmたわみます。一方、Y 軸のたわみは、50 N の力で約 0.22 mm、70 N の力で約 0.32 mm でした。
これは少し悪い結果ですが、これはガントリー スタイルの CNC マシンであり、通常、X 軸に比べて Y 軸の剛性が低いため、これは予想されていました。
Z 軸の剛性については、50N の力で約 0.18mm のたわみ、70N の力で約 0.25mm のたわみを測定しました。
CNC ルーターのこの剛性により、適切な送りと速度を使用してアルミニウムを切断する際の精度は 0.06 mm 以内になりました。
このテスト パーツをアルミニウムで次の設定で作成しました。荒加工の場合、DOC 4 mm、WOD 1.2 mm、送り速度 1200 mm/min。オフセットは0.3mmでした。次に、最後の輪郭パスでは、2mm DOC、500mm/min の送り速度で行います。 デジタル ダイヤル インジケーターで部品を測定したところ、あらゆる方向のすべての形状の精度が 0.06 mm 以内でした。
もう一度言います。 これが完全に 3D プリントされた CNC ルーターであり、トリマー ルーターとモーション コントロールに Arduino と GRBL を使用していることを考えると、これはかなりまともな結果だと思います。
ショーケース
この DIY CNC マシンを使用して作成したプロジェクトの一部を次に示します。
- 3D レリーフ
- V ビットの彫刻と荒加工
- CNC インレイ
- アルミニウム彫刻
- 真鍮の彫刻
- アルミニウムからプロペラを機械加工する
ただし、今後も CNC 関連のコンテンツが追加される予定ですので、ご期待ください。また、この CNC マシンの構築経験をみんなで共有し、問題を解決してマシンを改善するためのコミュニティを作るために、Discord またはそれに類するものを作成するつもりです。
製造プロセス