CNC Freespingi Projekteerimine ja Konstrueerimine

Lõputöö eesmärgiks oli esmalt projekteerida ning seejärel konstrueerida CNC freespink. Projekteerimise staadiumis valmistati digitaalne 3D mudel, mille peal prooviti mitmeid lahendusi. Joonestamiseks kasutati programme Solid Edge ja SketchUp. Esmalt selgitati välja erinevate sõlmede omavaheline koostöö ning freespingi üleüldised mõõtmed. Sealjuures valmistati reaalne freespink nende mõõtmete järgi, mis projekteerimisel joonistele märgitud oli. 3D mudeli külge joonestatud lahendused oli vajalik väiksemal kujul reaalselt valmis teha, et neid testida tagada nende töökindlus. Seetõttu valmistati protsessi käigus hulgaliselt prototüüpe freespingi spetsiifilistest osadest. Suurimateks väljakutseteks oli MDF materjalist valmistatud konstruktsiooni ehitus ja veerelaagrite edukas kinnitus. Veerelaagrite kinnituse puhul, läheneti igale liitele individuaalselt. Selle tulemusena välja arendatud lahendus, tõestas end olema nii töökindel kui ka piisavalt täpne. Kõige olulisem punkt terve projekti raames, oli hind. Kuna töö autor teostas nii projekteerimise kui konstrueerimise iseseisvalt, siis ainsaks väljaminekuks oli materjalidele ning vajalikele detailidele kuluv summa. Algselt jõuti järeldusele, et see peab jääma 500 euro piiresse ja see eesmärk ka täideti. Peale kõikide vajaminevate osade soetamist, oli lõplik detailidele kulunud summa 433,80 eurot. Sedavõrd soodsa tulemuse saavutamiseks, telliti mitmed tooted välismaalt. Sel viisil saavutati suurim kokkuhoid eelkõige freesi terade, samm-mootorite ja juhtploki arvelt. Mainitud esemete soetamisel Eestist, oleks nende hind kujunenud umbkaudu kahekordseks. Lisaks leiti lõputöö käigus ka freespingi omahind, ehk materjalidele liideti ka projekteerimise ning monteerimise väärtus. Sellest tulenevalt kujunes freespingi omahinnaks 1246,60 eurot, mis konkurentidega võrreldes on märgatavalt soodsam. Suurimaks rivaaliks on Ameerika Ühendriikides toodetud X-Carve, mis saabub kliendini monteerimata kujul ning mille väärtus peale transpordi ja maksude lisandumist on 2675 eurot. Seetõttu võib tõdeda, et lõputöö tulemusel projekteeritud freespink on oma hinna poolest üle kahe korra odavam, kui lähim konkurent. Lisaks soodsale hinnale, pidi valmiv freespink oleks võimeline töötlema plastikuid, puitmaterjale ja pehmemaid metalle. Katsetused on näidanud, et projekti tarbeks soetatud spindli mootor on võimeline edukalt freesima eelpool mainitud materjale. Tänu spindli mootori kõrgetele pööretele, tekib puidu ja plasti töötlemisel kvaliteetne lõige ka suure etteandekiiruse juures. Sealjuures tuleb rõhku pöörata erinevate freesi terade tähtsusele, kuna iga töödeldava materjali ja konkreetse tööprotsessi jaoks on vajalik kasutada spetsiifiliste omadustega tera. Töödeldes pehmemaid metalle, nagu alumiinium ja vask, peab arvestama märgatavalt aeglasema tööprotsessiga. Katsetuste tulemusel on välja selgitatud, et töö täpsuseks on 1- 0,1 mm. Arvestades freespingi suuri mõõtmeid ja lihtsakoelist ehitust on tegu rahuldava tulemusega. Tehnoloogilise poole pealt, katsetati projekti käigus mitut uudset lahendust. Esimene neist oli MDF materjalist valmistatud konstruktsioon. Traditsiooniliselt on CNC freespingid valmistatud kas alumiiniumist või terasest. Selle tulemusel tõuseb lisaks hinnale ka masina üleüldine mass. MDF materjali kasutamine õigustas end mitmeti. Tegu on metallidest märgatavalt odavama materjaliga, mille kättesaadavus ja töödeldavus on väga head. Ka tugevus ning sitkus on 18 mm paksuse materjali puhul rahuldavad. Sellest olenemata, kasutati töölaua valmistamiselt kahekordset, ehk 36 mm paksust plaati. Võimalike läbipainete ennetamiseks, lisati katsetuste staadiumis töölaua alla ka metallist konstruktsioon, mis garanteeris soovitud tulemuse. Nimelt ei toimunud töölauale 60 kilogrammi kaaluva raskuse asetamise tagajärjel, mitte mingeid märgatavaid läbipaindeid. Metallkonstruktsiooni lõplik kuju selgub peale freespingi täielikku valmimist, kuna see tuleb kohandada vastavalt keermevarraste ja nende kinnituste asetusele. Teise uudse lahendusena, võib välja tuua suuremõõtmelise töölaua. Nimelt on enamik odavama hinnaklassi freespinke üle kahe korra väiksemate töölaudadega. See on kõnealuse freespingi jaoks märgatav eelis, sest tulevikus on võimalik teostada freesimistöid ka suurema pinnaga detailidele. Projekt sai alguse 2014. aasta novembris, mil algas projekteerimine ja vajalike detailide välja valimine. Ootuste kohaselt valmib CNC freespink 2015. aasta mai või juuni kuus. Sellele järgneb masina seadistamise ja selle tööga täpsem tutvumise periood. Peale lõpliku valmimist on töö autoril soov teostada suuremõõtmelisi graveerimistöid Inrok OÜ’le. Täpsemaks valdkonnaks on puituste, kappide ja laudade graveerimine ning lõikamine. Lisaks koostööpartneri tellimustele on võimalik teostada mingil määral tellimustöid ka eraisikutele. Lõputöö tulemusel valmiva freespingi juures on tulevikus vaja ellu viia mitmeid täiustusi. Esmalt on vajalik töölaua ümber konstrueerida korpus, mis kaitseks pingi operaatorit lõikeprotsessi tulemusel õhku paiskuva laastmaterjali eest. Nimelt on praktika näidanud, et puidu ning plasti töötlemise tagajärjel tekkiv jääkmaterjal teeb ebamugavaks nii töö teostamise kui hilisema töökoha korrastamise. Metallide freesimisel tekkiv laast on seevastu suisa ohtlik, kuna on teravate servadega ning tuline. Töö käigus tuleb rõhku pöörata ka pealisraamile tööle, eelkõige võimalikele tekkivatele painetele. Juhul kui mõningase töötamise järel ilmnevad pealisraami konstruktsioonis painded, siis on vajalik sellele lisada metallist tugevdus, sarnaselt alusraamile. Katsetuste käigus neid aga täheldatud ei ole. Ka freesi terade täiustamine on kindlasti üks prioriteetidest. Soov on tulevikus soetada kallima hinnaklassi terasid, mille vastupidavus peaks olema märgatavalt parem.

The goal of this diploma thesis was to design and construct a CNC milling machine. After completing that task, it would be used by offering milling services to Inrok OÜ. Other carving jobs for private clients would also be an option. Designing of the milling machine began in November of 2014 and a few month later the construction phase began. The project is expected to be completed in June of 2015. There were some major goals to be achieved with this build. The first one of which was the price. All the parts needed for building the milling machine, had to cost less than 500 euros. In order to achieve that, many details had to be ordered abroad with long transportation periods. Also, some other components were heavily customised, so they could be used in this project. The largest saving came from the basic construction of the milling machine. It is traditional to use aluminum or steel as the main component in the frame of the CNC machine. Instead of that, MDF was used. MDF is quite light, easy to work on and extremely cheap. So because of these properties, the decision was made to use that instead of aluminum. The price of the MDF material used for building the whole basic construction, was just about 50 euros. Besides the low cost, it was important that the milling machine would be precise and dependable. For ensuring that, a great amount of research was necessary. By gathering information from the internet, books and manuals, it was possible to come up with some cheap yet durable solutions. One of which was the idea of using rolling bearings as the main component of moving the axis. The size of the CNC router table was also important. With that in mind, measurements of 1000 mm by 800 mm were decided on. By making a router table that large, it would allow to work on the larger details such as wooden doors, tables and chair details. The spindle motor used in the construction of the milling machine, had to be able to carve wooden materials, plastics and softer metals like aluminum and copper. In addition to the powerful spindle motor, it had to be as light as possible. In conclusion, we can say that the main goals were achieved. All the necessary parts bought for the milling machine combined, came to 434,80 euros, which is well under the 500 euro mark. Although all the labour and designing was done by the author, it was important to calculate these costs if they were done by actual companies. Adding the cost of labour to the amount of money used for buying the all parts, means that the final price of the CNC milling machine is 1246,60 euros. That is more than two times cheaper than the closest rival, X-carve which costs 2675 euros with taxes and transportation. The project was successful also because the testing has shown that the spindle motor while attached to the milling machine, was able to carve wood, plastics and even aluminum. The accuracy of the machine is yet to be determined, but the testing has confirmed it to be between 1 – 0,1 mm.