Problem mit 3D-Gravuren – Gravurspuren

Hallo,

Ich habe eine CNC-Maschine, die ich für Holzarbeiten und 3D-Gravuren nutze. Sie ist mit 8Nm Schrittmotoren für 3 Achsen ausgestattet (zwei Motoren für die Y-Achse) und einem 2kW-Spindelmotor. Ich verwende Mach3 für die Maschinensteuerung und Vectric Aspire für die Dateivorbereitung.

Die Maschine ist kalibriert und läuft einwandfrei, aber ich habe ein seltsames Problem, wenn ich 3D-Gravuren durchführe.

https://ibb.co/chpW6RSL
https://ibb.co/mCFdhS6q

Alle Details sehen gut aus, aber in einigen Bereichen sehe ich Gravurspuren, die 2–3 mm dick sind und viel dicker als der Fräser, den ich verwendet habe (0,75 mm Tapered Ball Nose Fräser, 8 % Stepover). Interessant ist, dass diese Spuren in Bereichen auftreten, in denen genug Platz für die Maschine ist, um zu beschleunigen, und danach die Z-Achse geändert werden muss. Die Spuren verschwinden in Bereichen, in denen die Maschine abbremsen muss, wo es komplexere Details gibt. Ich füge Bilder bei. Ich habe sowohl die X- als auch die Y-Achse ausprobiert, um zu sehen, ob ich ein anderes Ergebnis bekomme, aber es ist dasselbe. Die Vorschubrate ist 3000 mm/min und die Eintaufrate 2000 mm/min.

Um Gottes willen, ich kann nicht verstehen, warum das passiert. Hat jemand eine Idee?

Marko

Der Beitrag wurde von burs bearbeitet: 24.04.2025, 10:42 Uhr

Hallo Marko,
Werden diese Teile aus STL-Dateien gefräst? Falls ja, hängt das Ergebnis des Werkzeugpfads von der Mesh-Größe ab, sodass du die Mesh-Größe möglicherweise verringern musst, um die lokalen Details zu verbessern. Wenn du den Werkzeugpfad in Aspire in diesen Bereichen ansehen kannst, könnte das Hinweise liefern. Es gibt auch das Thema der Genauigkeitseinstellungen in M3. Ich bin kein M3-Nutzer, daher kann ich dich bei diesen Einstellungen nicht anleiten, aber sie können für Detailarbeiten sehr wichtig sein.
– Peter

Es könnte mit den Schwingungen (Harmonischen) der Maschinenstruktur zusammenhängen oder auch damit, dass sich die Stromzufuhr zu den Motortreibern verändert, wenn ein zusätzlicher Schrittmotor aktiv wird.
Könntest du mehr Details zum Maschinenaufbau geben? Eine Konstruktion aus Aluprofilen neigt eher zu Vibrationen als eine geschweißte Struktur aus massivem Stahl – und ein komplett aus Gusseisen gefertigtes Portal wäre nochmal besser.

Verwendest du diesen kleinen Fräser für den gesamten Job?
Das würde ewig dauern und viele kleine Riefen (Cusps) hinterlassen. Ich versuche immer, den größtmöglichen Fräser für den Großteil der Oberfläche zu verwenden und dann eine zusätzliche Bearbeitungsebene (oder mehrere) anzulegen, um bestimmte Bereiche mit einem kleineren Fräser zu bearbeiten, wo es keine andere Möglichkeit gibt.

Wenn man für jeden Bereich den größtmöglichen Fräserdurchmesser nutzt, reduziert sich die Bearbeitungszeit erheblich, und die verbleibenden Riefen machen nur noch einen kleinen Bruchteil des Fräserdurchmessers aus.

Mit der Vectric-Software gibt es die Möglichkeit, Geometrien auszuwählen, um den Bearbeitungsbereich einzuschränken – dadurch kannst du viel Zeit sparen und den Aufwand für die Nachbearbeitung deutlich verringern.

Vielen Dank an alle für eure Hilfeversuche. Ich versuche, so gut wie möglich zu antworten

Ja, das Werkstück wird aus einer STL-Datei gefräst, die ich in Aspire importiert habe. Die STL-Datei wurde bereits vorher erstellt – ich habe sie also nicht selbst modelliert. Ich habe in Aspire meine Werkzeugpfade simuliert und auch die fehlerhaften Bereiche blau markiert. Was dabei seltsam, aber vielleicht ein Hinweis ist: Die Fehler treten in einem bestimmten Bereich zwischen den Buchstaben auf (blau markiert).

Zur CNC-Maschine:
Ich habe sie selbst gebaut. Das Portal besteht aus massivem Stahl und ist sehr schwer – genauso wie die Basis der Maschine. Alles ist verschweißt und sehr stabil. Ich kann gern ein paar Bilder von der Maschine machen, wenn das helfen würde.

Für die Schruppbearbeitung habe ich einen 6 mm Fräser verwendet, und der gesamte Schlicht-Werkzeugpfad wurde mit einem 0,75 mm Tapered-Ballnose-Fräser und 8 % Stepover gefahren.
Ja, das dauert sehr lange – in diesem Fall hat allein der Schlichtvorgang etwa 6–7 Stunden gedauert.

Der Beitrag wurde von burs bearbeitet: 24.04.2025, 10:44 Uhr

Ein wenig mehr über die Maschine.

Ich verwende 4 Schrittmotoren, zwei an der Y-Achse und jeweils einen für die X- und Z-Achse. Es handelt sich um Nema 34 Schrittmotoren mit jeweils 8 Nm Drehmoment. Jeder Motor hat seinen eigenen Schrittmotortreiber, ich glaube es ist der HSS86. Jeder hat ein separates Netzteil (jeweils 400 W).
Ich benutze eine günstige Mach3-Seriell-Port-Karte. Ich füge ein paar Bilder bei.

Der Beitrag wurde von burs bearbeitet: 24.04.2025, 10:45 Uhr

Ein Hinweis: Manche STL-"Oberflächen" enthalten Rückwölbungen (Vertiefungen), und es hängt davon ab, wie Aspire zwischen den Kanten interpoliert, wie der Werkzeugpfad letztlich verläuft. Ich selbst benutze Aspire zwar nicht, aber schau mal nach, ob es dort irgendeine Art von Glättungsfunktion gibt. Damit lässt sich die STL-"Oberfläche" verbessern, bevor du den Werkzeugpfad generierst.
– Peter

Eine STL-"Oberfläche" ist keine geometrisch saubere Fläche, sondern besteht aus sehr vielen kleinen Dreiecken, die zusammen eine sogenannte Mesh-"Oberfläche" bilden. Wenn dieses Mesh kleine Vertiefungen enthält, die kleiner als dein Werkzeug sind, muss das CAM-System über den scheinbaren Spalt hinweg interpolieren – und das kann zu verschiedenen Problemen beim Werkzeugpfad führen.
Oder das Werkzeug könnte theoretisch in die Vertiefung eintauchen, aber der Bewegungscontroller kann das nicht umsetzen, wodurch das Merkmal einfach übersprungen wird...
Ein paar Dinge, die man durchgehen sollte.

Die Bilder zeigen eine solide Maschine.
Ich würde dennoch empfehlen, eine zusätzliche Ebene für Begrenzungen anzulegen, damit der kleine Schlichtfräser nicht das gesamte Material aus diesen elliptischen, ei-förmigen Bereichen entfernen muss. Ein größerer Fräser würde dort wahrscheinlich ein besseres Finish hinterlassen. Es gibt möglicherweise auch andere Bereiche, in denen Begrenzungen sinnvoll wären, damit ein Flachbodenfräser das Material entfernen kann – was allerdings mühsam sein kann, wenn du keinen Werkzeugwechsler hast.

Ich habe nur Erfahrung mit VCarve von Vectric und kann daher nichts zur Vielfalt der Dateiformate sagen, die in Aspire importiert werden können. Es könnte sich lohnen, zu prüfen, ob Meshlab ein nützliches Tool ist, um problematische Bereiche zu bereinigen. Ich habe eine Version auf meinem Computer, aber da ich keine .stl-Dateien importiere, habe ich es bisher nie gebraucht. Es kostet nichts, also ist der einzige Nachteil verlorene Zeit.

Ich muss sagen, dass meine begrenzte Erfahrung mit 3D-Bearbeitung in VCarve mich vermuten lässt, dass Aspire eigentlich besser sein sollte – sonst gäbe es kaum einen Grund für ein Upgrade.

Das ist der Effekt eines Raster-Schnitts über steile Bereiche.
Das passiert nicht, weil dein STL-Mesh zu grob ist. Auf relativ flachen Flächen verschmelzen die Schnittspuren (Cusps) miteinander, aber je steiler es wird, desto mehr wird mit der Seite des Werkzeugs geschnitten, und die Geometrie des Schnitts verändert sich, da die Schnitte vertikal weiter auseinander liegen.

Es kann helfen, einen anderen Typ von Werkzeugpfad darüberzulegen und den Schnitt erneut auszuführen. Wenn du zum Beispiel bisher parallele Bahnen mit einem bestimmten horizontalen Abstand verwendet hast, könntest du als Nächstes eine „Wasserlinien“-Strategie verwenden, bei der die Schnitte vertikal in gleichmäßigen Abständen erfolgen.

Eine weitere Möglichkeit ist, jede einzelne Buchstabe mit einem „Cleanup“-Schnitt zu umfahren – das ist aufwendiger in der Einrichtung, läuft aber später deutlich schneller.

Es gibt noch einen weiteren Faktor, den wir bisher nicht erwähnt haben:
Die Schlankheit des Fräsers.
Bei einem Durchmesser von 0,75 mm und relativ tiefen Bereichen, die durchfahren werden müssen, könnte es sein, dass die herausragende Länge des Fräsers ein Mehrfaches seines Durchmessers beträgt. Dadurch wäre er möglicherweise anfällig für Durchbiegung, insbesondere da der Anteil des Umfangs, der ins Material eingreift, je nach Topografie des Werkstücks variiert.

Wäre es möglich, ein Bild des tatsächlichen Fräsers und der Spannzange bereitzustellen?

Das sind die Eigenschaften des Fräsers:
R0.75X20.5X4DX50L
Aber daran liegt es nicht. Ich habe denselben Job auch mit einem Fräser mit 6 mm Durchmesser gemacht, und diese Spuren erscheinen exakt an denselben Stellen.

Der beste Hinweis ist, dass sie immer an bestimmten Abschnitten des Werkzeugpfads erscheinen (zwischen den Buchstaben). Es sieht so aus, als ob die Maschine dort genug Platz hat, um zu beschleunigen – anstatt direkt vor der Kante eines Buchstabens zu stoppen, wodurch sie nicht so stark beschleunigen kann wie beim Durchfahren der Zwischenräume. Schau dir mein Aspire-Werkzeugpfad-Vorschaubild an, dann siehst du, was ich meine.

Ich habe sogar versucht, das Raster um 90 Grad zu drehen (also sowohl die X- als auch die Y-Achse zu nutzen), und genau dieselbe Werkzeugspur ist sichtbar.
Vielleicht hat das etwas mit der Beschleunigung von X und Y im Vergleich zu Z zu tun?

Nach dem, was du beschrieben hast, scheint deine CNC-Maschine beim 3D-Gravieren unregelmäßige Gravurspuren zu erzeugen.
Dieses Problem kann durch mehrere Faktoren verursacht werden. Hier sind einige mögliche Ursachen und Lösungsansätze:

Beschleunigungs- und Verzögerungsprobleme:
Du hast erwähnt, dass das Problem in Bereichen auftritt, in denen die Maschine verlangsamen und feine Details schneiden muss. Das könnte darauf hindeuten, dass die Bewegungen der Maschine während der Beschleunigung und Verzögerung nicht gleichmäßig genug sind, wodurch das Werkzeug in diesen Bereichen ungleichmäßige Gravurspuren hinterlässt. Du könntest versuchen, die Beschleunigungs- und Verzögerungswerte in Mach3 anzupassen – verringere diese Werte, um zu sehen, ob sich die Situation dadurch verbessert.

Feinabstimmung der Schrittmotoren:
Da du Schrittmotoren verwendest, könnte eine unzureichende Feinabstimmung – insbesondere unter hoher Last oder beim Abbremsen – zu ungenauen Bewegungen in bestimmten Bereichen führen. Überprüfe die Stromstärkeneinstellungen der Motoren, um sicherzustellen, dass sie zu deiner Anwendung passen. Eventuell hilft es auch, den Strom zu erhöhen, um die Stabilität der Motoren zu verbessern.

MarkYu, es scheint, dass du mein Problem gelöst hast.
Nachdem ich die Beschleunigung erhöht habe, scheint das Problem verschwunden zu sein. Ich muss das Ganze noch weiter testen, um sicher zu sein, aber ich habe denselben Job zweimal mit unterschiedlichen Beschleunigungswerten ausgeführt – und bei der Konfiguration mit fünfmal höherer Beschleunigung war das Ergebnis deutlich besser. Ehrlich gesagt: perfekt.

Das einzige Problem, das ich jetzt habe, ist, dass sich durch das hohe Gewicht meines Portals starke Ruckbewegungen ergeben, die den ganzen Tisch zum Wackeln bringen. Ich werde versuchen, die Einstellungen fein abzustimmen, um diese Erschütterungen zu minimieren.

Eine Frage, wenn ich darf:
Ist das ein Problem von Mach3, oder würde ich mit anderer Software wie Mach4 oder LinuxCNC dasselbe erleben?
Mir erscheint es seltsam, dass die Software keinen Mechanismus hat, um z. B. eine Achse abzubremsen, damit sie zur Beschleunigung der anderen passt.