Ma CNC (graveuse à commandes numériques) homemade

Cela fait déjà quelques années que je me passionne pour les imprimantes 3D, les fraiseuses numériques, et d'une manière générale tout ce qui touche à la domotique, l'électronique, le travail du bois, ect.

Durant les périodes de confinements et de couvre feu, j'ai réalisé 4 imprimantes 3D, deux sur la base d'imprimantes HS achetées sur le Bon Coin, et deux en partant de zéro avec des pièces achetées d'occasion ou sur Aliexpress.

En parallèle, j'ai également débuté dans la réalisation de fraiseuses à commandes numériques.

Après quatre réalisations qui me donnaient déjà satisfaction mais présentaient des limites en terme de rigidité, j'ai décidé de passer à la vitesse supérieure.

LES PREMIERES VERSIONS :

Pour le premier modèle, il était constitué de profilés alu sur lesquels des roulement 608ZZ étaient montés en guise de glissières. Après un premier modèle avec table de l'axe Y mobile, je suis passé très vite sur un modèle avec Y fixe, les mouvements étaient réalisés sur les trois axes avec des vis trapézoïdales sur moteurs pas à pas NEMA 17, et pour l'électronique un arduino UNO avec la CNC Shield.

1er version (mai 2020) :

Pour mes trois modèles suivants, les axes X d'abord et Y ensuite étaient réalisés avec des tubes carrés de 20 mm sur lesquels des blocs imprimés en PETG coulissaient à l'aide de roulements. La structure était constituées de profilés alu 4040 ce qui permettait assez facilement d'adapter des pièces que j'avais modélisées.

Seconde version (Juillet 2020) - Pas encore trouvé de photos...

Troisième version, avec une broche type Makita RT0700

Après avoir acquis à moindre frais un lot de moteur NEMA23 + drivers TB6600, j'ai conçu une fraiseuse avec les axes X et Y entrainés par une courroie en démultipliant les moteurs. Toujours sur base d'Arduino mais avec maintenant un couple un peu plus conséquent. Cependant, la rigidité n'était toujours pas au rendez-vous et mes tentatives de découper de l'alu n'étaient pas vraiment concluantes.

Quatrième version (octobre 2022)

LA NOUVELLE VERSION

(à partir de mai 2023)

Après toutes ces tentatives plus ou moins heureuses, j'ai tout repris à zéro pour me lancer dans la conception d'une nouvelle CNC qui, je l'espère, devrait enfin me convenir.

En voici la chronologie :

- Achat d'un kit de rails SBR20 (1000, 600 et 300mm) avec les roulements linéaires correspondants.

- Achat de 4 vis à billes diamètre 16mm (2X1050 pour l'axe Y, 650 pour X et 350 pour Z)

Donc la surface utile d'usinage devraient se situer autour de 450/800 mm ce qui correspond à mes attentes, surtout avec la place dont je dispose dans ma cave. Pour cette version j'ai choisi de construire la machine qui sera disposée sur une table en bois munie de roulettes ce qui me permettra de la bouger plus facilement dans la pièce.

Après avoir lu de nombreuses publications sur le Net et visionné quelques heures sur Youtube, ça y est, je me lance.

- Réalisation de l'axe Z à partir de contreplaqué que j'ai découpé avec mon ancienne CNC, malgré le manque de rigidité, les découpes avec des mèches de 2mm et des passes d'1mm se sont révélées plutôt précises.

Je suis même parvenu a réaliser les enfoncement nécessaires pour noyer les têtes de vis.

Modalisation et impression d'équerres permettant l'assemblage du dormant Z avec le support du moteur :

Montage de la première partie de l'axe Z avec les rails de guidage qui font bien leur poids. C'est bien plus lourd que ce que je pensais et j'espère maintenant que mes NEMA 23 vont pouvoir faire bouger tout ça.... :

Roulements linéaires pour l'axe X :

Premier test pour le montage de l'axe X. J'ai fais le choix de monter les rails sur du contreplaqué fixé sur des profilés alu 4040 qui seront fixés sur le chariot de l'axe Y. N'étant pas un virtuose dans la prise de cote et la précision dans la découpe de bois, j'aurais toujours l'occasion de régler l'équerrage de la structure une fois le montage final réalisé :

Mise en place du montage précédent sur les deux flancs réalisés avec du contreplaqué de 24 mm (deux plaques de 12mm collées). Modélisation et impression de pièces (rouges) permettant la fixation de la vis à billes et des rails Y. Pareil pour la réalisation de paliers pour les boulons des vis à billes. Je sais bien que ce n'est pas idéal en terme de rigidité comparé à de l'alu mais je n'ai ni la possibilité, ni le budget pour faire réaliser des pièces sur mesure. La solution de l'impression 3D est plutôt correcte surtout avec le PLA META ou PLA+ qui s'impriment un peu plus facilement que le PETG et qui présentent des propriétés mécaniques intéressantes :

Mise en chantier de l'axe Y. Pour ce projet j'ai suivi les conseils que j'ai pu trouver dans plusieurs forums, à savoir, réaliser en premier l'axe Z, puis X et enfin Y. Les dimensions des pièces déjà réalisées permettent plus facilement de concevoir les suivantes sans trop d'erreurs de dimension. Donc pour ce dernier axe, j'ai choisi de fabriquer les supports des rails avec du contreplaqué en formant pour chaque côté deux morceaux en forme d'équerre. Ceci m'a donc permis de faire un montage à blanc avec des serres joints avant de solidariser les deux côtés. Il est bien vrais que l'ensemble rails / roulements linéaires n'accepte pas beaucoup de tolérance dimensionnelle :

Voilà, après les réglages ce que ça donne. Mise en place de quelques renforts en contreplaqués pour solidariser les deux cotés, mais pour l'instant c'est vraiment très peu rigide. Pour économiser quelques centimètres sur la longueur de la machine, j'ai décidé de ne pas placer les moteurs en bout de la vis à billes mais plutôt dans le bâti de la machine avec poulies et courroies pour transmission du mouvement, ce qui explique les deux orifices disgracieux dans les flancs.

Voila ce que ça donne une fois peint et assemblé sur sa table. J'ai donc réalisé une table avec des poteaux 70x70 du type de ceux qu'on met dans le jardin. C'est solide et largement moins chère que du bois raboté en GSB. Pour l'heure le bâti n'est pas encore fixé sur la table, il faut encore que je règle la planéité de l'ensemble, ce que je vais faire en ajoutant des calles imprimés pour compenser les défauts du bois.

Ajout de 4 profilés alu 4040 sur la haut du bâti. Ces profilés peuvent facilement être déplacés verticalement ce qui devrait me permettre une fois la machine terminée de régler la planéité du martyr qui sera mis en place à la toute fin :

Maintenant la mise en place du portique sur la structure. Et en plus ça coulisse bien sans réel point dur. Je suis plutôt satisfait :

J'ai également installé la broche 100Volts 400W afin de vérifier que l'axe Z n'est pas trop haut. Cette broche est munie à l'origine d'une pièce située sur la partie haute de l'axe qui permet en théorie de la refroidir. Cette pièce étant vraiment très mal équilibrée, j'ai été contraint de la démonter et de réaliser une refroidissement par air à l'aide d'un ventilateur au marché au puces du coin. Et bien ça fonctionne plutôt pas mal et j'y gagne tant sur le plan de niveau sonore de la broche que sur celui des vibrations. Reste plus qu'à faire venir du 12V sur l'axe Z pour l'alimenter :

J'ai décidé de profiter de la place qui se trouvera sous le martyr (env. 12 cms) pour y placer l'ensemble de l'électronique. Je compte y disposer une alimentation 24V pour les moteurs, une 12V pour la carte MKS DLC32 et les ventilateurs, et enfin une 5V pour alimenter une caméra Wifi (ESP32CAM) qui sera fixée sur un des cotés du portique et me permettra de surveiller la machine sans nécessairement resté à côté (ce qui est tout de même assez plaisant, voir hypnotique) :

Voila ce que cela donne avec l'installation d'un martyr perforé avec des inserts de 6mm pour la fixation des pièces à usiner :

Intégration de l'électronique

Là j'ai fait les choses plutôt simplement. Une carte MKS32 DLC32 reliée à des drivers TB6600. La carte est alimentée en 12V tandis que les moteurs en 24V. Mise en place d'un arrêt d'urgence, d'un interrupteur général et du potard pour la vitesse de la broche. Rien de bien compliqué, en tout cas ça fonctionne mieux que l'Arduino Uno. La carte est alors connectée à un ancien ordinateur portable par USB. J'ai bien tenté l'interface Web de la carte MKS DLC mais ce n'est franchement pas concluant. Les fin de courses sont également reliés à la carte pour le homing. J'y ai également branché un palpeur pour l'axe Z. Bien que plutôt jolie, l'écran LDC de la carte n'est pas d'une grande utilisé. Il permet uniquement d'avoir les coordonnées "machine" et "travail" en simultané et à lancer un homing sans passer par le PC.

Enfin, installation d'un ventilateur 12V pour refroidir tout cela, même si à l'usage ça ne chauffe pas de trop :

Premier test :

Les premiers tests ont été plutôt concluant en terme de rigidité de l'ensemble. Bien évidemment, avec une ossature principalement réalisée en bois je ne peux pas m'attendre à rivaliser avec des machines réalisées en tout alu. Mais je dois avouer que je ne suis pas mécontent.

Première observation : Mon souhait de rigidité étant acquis, je me rends compte que la broche de 500 W fait figure de jouet. En effet, sa vitesse de rotation limitée à 11000 tours/minutes limite grandement la vitesse des mouvements de la machine et donc la rapidité d'exécution d'une tâche. Je suis donc très vite revenu sur l'affleureuse KATSU (copie Makita) que j'utilisais auparavant. Avec cette machine cela fonctionne mieux et surtout plus vite mais au prix d'un bruit très désagréable :

Du coup, comme je n'étais plus à ça prêt, j'ai décidé l'acquisition d'une broche CNC 1500W refroidie par air avec variateur de fréquence 220Volts. C'est vraiment la broche qui change la vie sur ce type de machine. L'usinage est plus puissant, plus régulier et beaucoup moins bruyant. Après quelques tâtonnement dans la configuration du VFD je suis parvenu a automatiser l'allumage de la broche en même temps que de l'aspiration que j'ai installé sous la CNC (aspirateur de chez Lidl relié à un séparateur cyclonique fabriqué à partir de tubes PVC et de pièces imprimées en 3D). L'automatisation a été possible par l'ajout de relais 12V à la sortie Broche de la carte :

En plus ce type de broche permet l'utilisation de fraises en 3.17, 4 et 6 MM avec un faux rond plus que négligeable sur une machine homemade. Je n'ai pas encore attaqué de l'alu mais le résultat sur le contreplaqué du bois dur et du plexi s'annonce prometteur.

Bien évidemment l'aventure n'est pas encore finie et il me reste pas mal de choses encore à finaliser et/ou modifier comme notamment :

- Installation de fins de courses supplémentaires

- Nivellement des éléments tenant le martyr pour augmenter la précision (j'ai actuellement des différences de l'ordre de 0,4mm, ce n'est pas insurmontable mais lorsque je grave du texte en Vcarve la différence de hauteur se devine) et réglage complet de l'équerrage de l'ensemble.

- Installation de jambes de force sur la structure des pieds du support (vu le poids de l'ensemble, lors des mouvements de la machine on remarque une certaine élasticité de la structure)

- Ré-organisation du câblage (comme souvent, j'ai du mal à organiser mes câbles rendant l'ensemble un peu brouillon et surtout pas très pratique en cas de recherches des causes d'une panne)

- Installation d'un capteur de température sur la broche ce qui me permettrait de commander une ventilation forcée sur cette dernière en cas de chauffe pour les longs travaux.

- Et encore plein d'autres trucs qui me viendrons au fur et à mesure de l'utilisation de la machine.