When it comes to working with panel-sized materials, such as plywood, MDF, or plastics, securing them before machining can be a challenging task, but also a time-consuming one.
This is where the ingenious solution of vacuum tables comes into play.
Vacuum tables have gained popularity as the go-to clamping solution for large CNC milling machines and for good reason. They offer a level of easiness and versatility that is hard to match with traditional clamping methods.
Whether you're a seasoned CNC professional or just stepping into the world of CNC machining, understanding the advantages of vacuum tables is essential to unlock the full potential of a CNC milling machine.
In this article, we will go through the construction of a simple vacuum system that can be installed on our CNC Fab model.
We will also explain key concepts that will help you understand the most important aspects of a vacuum system and guide you on how to adapt this design to your own setup.
Let’s start with a very brief explanation of vacuum physics, this will help us understand how to optimize our design.
Not interested in theory? Go directly to chapter 3 for the build.
Der normale atmosphärische Druck auf Meereshöhe beträgt 101325 Pa, also mehr oder weniger 1 bar. Dieser Druck wird durch das Gewicht der uns umgebenden Luft erzeugt, das sich je nach Höhe und Wetterbedingungen ändern kann. Um ein Vakuum zu erzeugen, muss daher in einem bestimmten Volumen ein Druck erzeugt werden, der niedriger ist als der atmosphärische Druck.
Vakuumtische nutzen diesen Druckunterschied zwischen dem Vakuum unter einem Werkstück und dem atmosphärischen Druck darüber, um eine Haltekraft zu erzeugen.
Diese Kraft ist direkt proportional zum Druckunterschied und zur freiliegenden Oberfläche. Folglich können bei größeren Teilen erhebliche Haltekräfte auftreten, während kleinere Teile geringeren Haltekräften ausgesetzt sind.
Nehmen wir das folgende Beispiel:
In diesem Fall haben wir ein Seitenkanalgebläse, das einen Druckunterschied von 250 mbar unter einer 50 cm x 50 cm großen Sperrholzplatte erzeugen kann. Aus der Berechnung, dass die Kraft proportional zum Druckunterschied und zur nutzbaren Vakuumfläche ist, geht hervor, dass das Werkstück einer
In diesem Fall haben wir ein Seitenkanalgebläse, das eine Druckdifferenz von 250 mbar unter einer 50 cm x 50 cm großen Sperrholzplatte erzeugen kann. Aus der Berechnung, dass die Kraft proportional zur Druckdifferenz und zur nutzbaren Vakuumfläche ist, ergibt sich, dass das Werkstück einer Niederhaltekraft von 625 kg ausgesetzt ist.
Um zu wissen, ob diese Kraft das Werkstück während eines Arbeitsgangs am Bewegen hindert, müssen wir sicherstellen, dass die Schneidkräfte unter den Haltekräften bleiben, die auf diese Platte wirken. Hier sind 4 Kräfte im Spiel:
Um zu wissen, ob diese Kraft das Werkstück während eines Arbeitsgangs am Bewegen hindert, müssen wir sicherstellen, dass die Schneidkräfte unter den Haltekräften bleiben, die auf diese Platte wirken.
Hier sind 4 Kräfte im Spiel:
Fh ist die durch das Vakuum und das Gewicht der Platte erzeugte Niederhaltekraft. Aus der Theorie der Haftreibung wissen wir, dass diese Kraft eine Reibungskraft Ff erzeugt, die verhindert, dass die Platte rutscht, wenn die radiale Schnittkraft Fr auf sie einwirkt.
Wenn ein Schaftfräser mit Aufwärtsschnitt verwendet wird, muss auch die axiale Schnittkraft Fa berücksichtigt werden (obwohl sie je nach Spiralwinkel der Spannuten oft viel geringer ist als die radiale).
Wenn sowohl der Vakuumtisch als auch die Platte aus Holz bestehen, beträgt der Haftreibungskoeffizient 0,40. Wenn wir das Gewicht der Platte vernachlässigen, ergibt sich eine Gesamtreibungskraft von:
Ff = µ x Fh = 0,40 x 6250 = 2500 N
Um Ihnen einen (sehr) groben Vergleich zu geben: Ein 6-mm-Schaftfräser, der mit 100 % Werkzeug-Eintauchtiefe und einer Schnitttiefe von 6 mm mit 5000 mm/min durch Sperrholz schneidet, würde eine radiale Schnittkraft im Bereich von 50 N erzeugen. Wie Sie sehen, besteht keine Gefahr, dass sich das Werkstück während des Schneidens bewegt.
Beachten Sie, dass die in diesem Beispiel berechnete Niederhaltekraft immer noch ein theoretischer Wert ist. In der Praxis gibt es einige Faktoren, die die Kraft verringern können, wie z. B.:
In Bezug auf den letzten Punkt sollten Sie immer bedenken, dass die effektive Fläche, auf die die Vakuumkraft wirkt, nur für den Bereich mit Kanälen oder Rillen gilt.
Daher ist es die Oberfläche der abgedeckten Kanäle und nicht die Oberfläche des eigentlichen Werkstücks, die die Haltekraft bestimmt. Diese Überlegung wird sich auf die Gestaltung unseres Tisches auswirken, wie Sie später sehen werden.
Ok, genug der Theorie, lassen Sie uns über die Praxis sprechen und herausfinden, wie wir dies auf unserer CNC-Fräsmaschine umsetzen können. Kurz gesagt besteht ein Vakuumsystem aus den folgenden Hauptelementen:
Lassen Sie uns die Spezifikationen der einzelnen Teile dieses Systems näher betrachten und verstehen, wie sie zusammenarbeiten.
Es gibt viele Arten von Maschinen, mit denen ein Vakuum erzeugt werden kann, aber wir interessieren uns hier hauptsächlich für zwei Typen:
Hier ist eine vereinfachte Tabelle, die die Unterschiede zwischen den einzelnen Typen hervorhebt. Die Realität ist natürlich nuancierter, da es für beide viele verschiedene Modelle in vielen verschiedenen Preisklassen gibt, aber dies sollte einen Hinweis darauf geben, worauf Sie bei der Gestaltung Ihres Vakuumtisches achten sollten.
| Seitenkanalgebläse | Vakuumpumpe | |
| Luftstromkapazität | Hoch | Niedrig |
| Vakuumniveau | Niedrig | Hoch |
| Kosten | Erschwinglich | Teuer |
| Haltbarkeit | Anfällig für Ausfälle | Robuster |
Dank ihrer hohen Luftstromkapazität und Erschwinglichkeit sind Seitenkanalgebläse oft die bevorzugte Lösung für große CNC-Fräsmaschinen, da die Größe der Werkstücke die niedrigeren Vakuumniveaus ausgleicht (denken Sie an die Formel: Wenn der Druckunterschied sinkt, kann die gleiche Haltekraft angewendet werden, wenn die Oberfläche des Werkstücks zunimmt).
Eines sollte man jedoch bedenken: Sie können störanfällig sein, was in der Regel darauf zurückzuführen ist, dass Partikel oder Späne in die Kammer gelangen und den Impeller blockieren. Ebenso kann es bei unzureichender Luftzirkulation zu einer Überhitzung und Ausdehnung des Impellers kommen, was zu einer möglichen Verschmelzung mit dem Gehäuse und einem katastrophalen Ausfall führen kann.
Daher wird dringend empfohlen, einen geeigneten Filter am Einlass sowie ein Druckbegrenzungsventil zu installieren, das jederzeit eine minimale Luftzirkulation ermöglicht.
Vakuumpumpen eignen sich dagegen gut für kleinere CNC-Fräsmaschinen mit Werkstücken, die einen kleineren Vakuumbereich bieten. Sie fallen selten aus und stellen eine kostengünstige Lösung dar, die nur wenig Wartung erfordert.
Das Plenum ist eine genutete Platte mit einem oder mehreren Löchern, die zur Vakuumpumpe führen. Wenn die Pumpe eingeschaltet wird, entsteht in diesen freien Kanälen ein Vakuum und jegliches darüber liegendes Material wird angesaugt. Um Leckagen und eine schwache Vakuumleistung zu vermeiden, wird häufig eine weiche Gummidichtung in den Rillen am Rand des Werkstücks angebracht.
An diesem Entwurf können Sie erkennen, dass die effektive Vakuumfläche optimiert wurde, ohne die Steifigkeit der gesamten Platte zu beeinträchtigen, indem auf jedem Haltewinkel ein Kreuzmuster verwendet wurde. Dies führt zu einer deutlichen Erhöhung der Haltekraft.
Um den Luftstrom zu unserer Pumpe zu leiten, gibt es mehrere Möglichkeiten. Die erste besteht darin, flexible Schläuche und pneumatische Anschlüsse zu verwenden. Dies erweist sich als effiziente Methode, die einen schnellen und unkomplizierten Installationsprozess ermöglicht.
Während dieser Ansatz ideal für kleinere Vakuumtische ist, ist bei größeren Vakuumsystemen Vorsicht geboten, da die kleinen Schlauchdurchmesser den Luftstrom einschränken.
Für größere Vakuumtische wird die Verwendung von PVC-Rohren und ihren Standardanschlüssen empfohlen. Dies ist eine kostengünstige und einfache Lösung, da die Teile in jedem Baumarkt erhältlich sind.
Darüber hinaus sollte bei der Konstruktion eines größeren Tisches auch die Schaffung mehrerer Zonen in Betracht gezogen werden. Dies kann durch die Verwendung abgedichteter Endkappen für jede Zone oder durch Ventile erreicht werden, mit denen sich jede Zone vor einem Auftrag leicht öffnen oder schließen lässt.
Die vollständige Vakuumkonfiguration endet oft mit einer MDF-Abdeckplatte (auch Bleeder Board genannt), die auf dem Plenum angebracht wird. Dieser Ansatz hat zwei Vorteile.
Erstens schützt sie den teuren Teil des Vakuumtisches vor Bearbeitungsfehlern, da es einfacher ist, eine MDF-Platte zu ersetzen als ein bearbeitetes Plenum. Gleichzeitig wird verhindert, dass Staub und Späne in die Vakuumpumpe gelangen.
Zweitens ist MDF ein poröses Material, sodass die Platte das Vakuum aus den Kanälen gleichmäßig über die gesamte Oberfläche verteilt. Auf diese Weise ist die effektive Fläche, auf die der Vakuumdruck ausgeübt wird, größer, wodurch eine stärkere Niederhaltekraft erzeugt wird.
Diese Methode hat sich zwar als effektiv erwiesen, aber man muss wissen, dass sie ein Seitenkanalgebläse erfordert, das in der Lage ist, ein größeres Luftvolumen abzusaugen, da die Bleeder-Board-Platte an allen Stellen, die nicht vom Werkstück bedeckt sind, Luft entweichen lässt.
Um diesen Punkt zu veranschaulichen, betrachten Sie die Leistungskurve eines 1,5-kW-Seitenkanalgebläses, die den erreichten Druckunterschied im Verhältnis zur Luftmenge darstellt.
Man kann sofort erkennen, dass das Vakuum umgekehrt proportional zum Luftstrom ist. Nehmen wir an, dass unsere MDF-Platte 90 m³/h leckt, dann beträgt die verfügbare Druckdifferenz nur 150 mbar, verglichen mit 285 mbar bei einem perfekt abgedichteten Vakuum, was fast die doppelte Kraft erzeugt!
Natürlich können auch beide Techniken miteinander kombiniert werden. Sie können eine Vakuumvorrichtung erstellen, indem Sie eine Dichtungsschnur unter dem Verkleidungsbrett in den genauen Abmessungen Ihres Werkstücks anbringen, um den Vakuumbereich einzugrenzen und einen Großteil der Lecks zu beseitigen.
Der Aufbau aus diesem How-to-Artikel soll einen günstigen, aber leistungsfähigen Vakuumtisch für eine Maschine in Plattengröße bieten. Aus Budgetgründen wurden einige der oben erwähnten ergonomischen Verbesserungen weggelassen, Sie können sie aber trotzdem in Ihre eigene Einrichtung einbauen.
Wir haben uns für die Verwendung von zwei 2,2-kW-Seitenkanalverdichtern entschieden, die parallel geschaltet werden, um eine höhere Luftstromkapazität zu erreichen und ein gutes Vakuum aufrechtzuerhalten.
Dies ist auch eine kostengünstigere Option als der Kauf eines größeren und leistungsstärkeren Gebläses und ermöglicht es uns, im Bereich der Einphasenmotoren zu bleiben (größere Seitenkanalverdichter erfordern in den meisten Fällen einen Drehstromanschluss).
Das Plenum wird auf der Grundlage der Standard-MDF-Platten aus unserem Katalog hergestellt, da diese günstig und modular sind (bei Beschädigung kann nur ein Teil ausgetauscht werden). Natürlich können Sie auch eine ganze Platte für die Herstellung des Tisches verwenden. Sie müssen lediglich den bereitgestellten G-Code anpassen (Link zum Fusionsprojekt unten).
Wenn Sie eine hochwertigere Version wünschen, empfehlen wir die Verwendung von Kunststoffplatten aus PLA oder Nylon, da diese leicht zu bearbeiten sind und eine sehr stabile Verteilerplatte bieten.
Meistens ist es wünschenswert, mit einer Planfräsoperation zu beginnen, da sie Ihren Arbeitsbereich perfekt ebnet. Wir haben uns entschieden, dies zu vermeiden und die Dinge hier einfach zu halten, da die oberste Schicht aus MDF nicht so porös ist wie die Innenseite.
Dadurch wird verhindert, dass wir alles oberflächenbehandeln und ein Verbundprodukt auf die gesamte Oberfläche unseres Plenums auftragen müssen, um es luftdicht zu machen (dies gilt natürlich nicht, wenn Sie ein anderes Material als MDF verwenden). Die perfekte Nivellierung wird später durch die Verwendung einer Entlüftungsplatte mit Fräsfläche erreicht.
Wenn Sie dennoch mit der Fräse bearbeiten möchten, verwenden Sie Holzversiegelung auf der bearbeiteten Oberfläche und tragen Sie auch etwas auf die Seiten der Platte auf, um Undichtigkeiten noch weiter zu minimieren. In diesem Fall empfehlen wir auch die Verwendung dickerer Platten, um auch nach dem Entfernen von Material eine ausreichende Steifigkeit zu gewährleisten (25-mm-Platten anstelle von 18-mm-Platten wären beispielsweise eine gute Option).
Wie gerade erklärt, verwenden wir eine dünne MDF-Ablaufplatte über dem Plenum, die als Schutzplatte verwendet werden kann und verhindert, dass der Tisch beschädigt wird, wenn das Werkzeug während der Arbeit zu tief geht.
Wir verwenden auch eine Dichtungsschnur am Plenum, um die Zonen, in denen das Vakuum angewendet werden muss, genau zu definieren und eine gute Dichtwirkung zu erzielen. Dadurch können Sie weniger leistungsstarke Seitenkanalgebläse verwenden und trotzdem gute Ergebnisse erzielen.
Schließlich verwenden wir Absperrschieber, um vier definierte Zonen auf dem Plenum zu öffnen/schließen. Auch dies ermöglicht es uns, den effektiven Vakuumbereich zu optimieren, wenn wir nicht eine ganze Platte fräsen.
Dieser Abschnitt enthält eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Herstellung des Plenums unseres Vakuumsystems und zur Implementierung eines vollständigen Rohrleitungsnetzes mit 4 Zonen.
Hier sind wichtige Links, die Sie für diesen Bau benötigen:
Los geht's!
Vergewissern Sie sich, dass Ihr Maschinentischgestell sehr gut nivelliert ist. Sie benötigen einen guten, ebenen Arbeitsbereich, um gut zu beginnen, insbesondere da wir die Bretter nicht mit einem Planfräser bearbeiten werden.
Bringen Sie die vier Verkleidungsbretter an. Achten Sie darauf, dass sie gut ausgerichtet sind und dass jede Schraube gut angezogen ist.
Schalten Sie Ihre Maschine ein und warten Sie, bis PlanetCNC geladen ist.
Fahren Sie die Maschine nach Hause und richten Sie das Portal aus.
Geben Sie die folgenden Arbeitskoordinaten ein, ohne die Maschinenposition zu ändern: (X73,5; Y66)
Setzen Sie einen 8 mm Flachfräser (in unserem Fall mit 3 Nuten) ein und lassen Sie 40 mm Überstand, damit die Maschine bis unter das Plenum fräsen kann. Andernfalls gibt die Maschine einen Maschinenbegrenzungsfehler aus.
Verwenden Sie den Z-Achsen-Taster, um die Werkzeuglänge zu messen und die Achse auf der oberen Fläche des Plenums auf Null zu setzen.
Setzen Sie den Staubschuh auf.
Laden Sie den G-Code und starten Sie das Programm.
Wenn die 4 Löcher gefräst sind, stoppt die Maschine für einen Werkzeugwechsel. Tauschen Sie das aktuelle Werkzeug gegen einen 5-mm-Flachfräser (in unserem Fall mit 2 Nuten) aus.
Vergessen Sie nicht, eine neue Werkzeugmessung durchzuführen, um Z0 neu zu kalibrieren.
Drücken Sie die Pause-Taste, um das Programm fortzusetzen.
Wenn das Programm abgeschlossen ist, bewegen Sie das Portal nach hinten. Schleifen Sie die Kanten des Schnitts vorsichtig mit feinem Schleifpapier ab und saugen Sie das gesamte Plenum ab.
Öffnen Sie zunächst die 3D-Baugruppe des gesamten Systems, um zu verstehen, wie alles miteinander verbunden wird.
Das Rohrleitungssystem besteht aus einem Netzwerk von 63 mm PVC-Rohren, die normalerweise für die Wasserableitung verwendet werden. Sie können Druckrohre mit PN10 oder PN16 verwenden, wenn Sie möchten, aber das erhöht die Kosten für Ihre Baugruppe unnötig.
Die Zonen werden mithilfe von 63 mm-Absperrschiebern aktiviert, die alle über einen 90 mm-Verteiler miteinander verbunden sind. Dieser Verteiler besteht aus vier 90 mm-T-Stücken, die zusammengebaut sind und oben eine 90-63 mm-Reduzierung enthalten.
Zuerst müssen Sie die 63 mm-PVC-Rohre auf die erforderlichen Maße zuschneiden:
Verwenden Sie anschließend einen Bandschleifer, um an jeder Seite der geschnittenen Rohre eine leichte Fase anzubringen. Schleifen Sie dann die Oberflächen ab, die während der Montage miteinander in Kontakt kommen, sowohl am männlichen Rohr als auch am weiblichen Anschluss.
Anschließend blasen Sie die Rohre vollständig aus, um den Staub von allen Flächen, aber auch von der Innenseite zu entfernen (Sie möchten nicht, dass dieser Staub später in Ihrem Vakuumsystem landet).
Jetzt benötigen Sie eine Kartuschenpistole mit Allzweckkleber, um die vier 140 mm PVC-Rohre am Plenum zu befestigen und so den Auslass für jede Zone zu schaffen.
Tragen Sie Klebstoff sowohl auf das PVC-Rohr als auch auf die Innenfläche des Plenumlochs auf. Führen Sie dann jedes PVC-Rohr in jedes Loch ein, sodass es bündig mit den Nuten des Plenums abschließt. Lassen Sie den Klebstoff gemäß den Anweisungen auf der Verpackung mehrere Stunden lang trocknen. Dadurch entsteht eine starke Verbindung, die gleichzeitig luftdicht ist.
Während der Klebstoff trocknet, können Sie mit dem Zusammenbau des Rohrleitungsnetzes beginnen. Bevor Sie PVC-Klebstoff auftragen, versuchen Sie, alles trocken zusammenzubauen, um sicherzustellen, dass alles passt und die richtige Länge hat. Sie können auch einen Marker verwenden, um die Einstecktiefe der männlichen Rohre in den weiblichen Winkelverbindern zu markieren, aber auch um sicherzustellen, dass Sie überall 90°-Winkel haben.
Wenn Sie fertig sind, tragen Sie mit einem kleinen Pinsel den PVC-Kleber auf jedes Rohr und jeden Verbinder auf, eins nach dem anderen. Montieren Sie zuerst die Zwischenteile, bevor Sie sie an den Plenumauslass kleben, das erleichtert die Arbeit.
Montieren Sie auch den Verteiler vormontiert, da er sich dann leichter am Maschinenrahmen befestigen lässt.
Zuletzt verbinden Sie die Auslässe jeder Zone mit den vormontierten Rohren und Ventilen. Eventuell müssen Sie die beiden längsten Rohre mit am Maschinenrahmen befestigten Klemmen abstützen, wie unten dargestellt.
Um den Verteiler am Maschinenrahmen zu befestigen, benötigen Sie außerdem 90-mm-Rohrschellen. Dann können Sie die letzten Teile, Verteiler und Ventil jeder Zone, zusammenkleben.
Das Verfahren für diesen Schritt hängt stark von der Art der Pumpe oder des Seitenkanalgebläses ab, die Sie verwenden. Ist nur eine Einheit direkt mit dem Verteiler verbunden oder mehrere parallel (oder in Reihe), wie groß ist der Einlassdurchmesser, benötigen Sie Gewindeanschlüsse ... Daher gehen wir nicht näher auf diesen Teil des Aufbaus ein.
In unserem Fall haben wir uns für zwei zweistufige Seitenkanalverdichter mit einphasigem Anschluss und 1,5 kW entschieden. Wir haben beide parallel geschaltet, um den verfügbaren Luftstrom zu maximieren.
Um eine günstige und ergonomische Entlüftungsplatte herzustellen, haben wir uns für eine standardmäßige 6 mm MDF-Platte entschieden und diese in vier gleiche Teile geschnitten, eines für jede Zone.
Zum Planfräsen jeder Platte verwenden wir zum ersten Mal den Vakuumtisch! Wir wollen 1,5 mm auf jeder Seite entfernen, sodass 3 mm dicke Platten übrig bleiben.
Führen Sie Neoprenkordel in die Plenum-Nuten ein, um eine Dichtungsverbindung am Umfang jeder MDF-Platte in jeder Zone zu schaffen.
Legen Sie dann die 4 Platten auf jede Zone und schalten Sie die Vakuumpumpe ein. Sie können nun mit dem Planfräsen beginnen (denken Sie daran, einen Staubschutzschuh zu verwenden!).
Wenn Sie fertig sind, drehen Sie die Platten um und wiederholen Sie den Vorgang auf der anderen Seite. Nach einer kurzen Absaugung sieht das Ergebnis wie folgt aus:
Zurück zu unserem Beispiel einer 50 x 50 cm großen Sperrholzplatte mit einem Druckunterschied von 250 mbar (erreicht mit unseren Seitenkanalverdichtern bei Verwendung von Dichtschnüren). Unter Berücksichtigung einer effektiven Vakuumfläche von 50 % wird die Platte einer Niederhaltekraft von etwa 300 kg ausgesetzt.
Da es auf einer anderen Holzoberfläche liegt, beträgt die Haftreibungskraft, die verhindert, dass sich das Brett bewegt, mehr oder weniger 120 kg.
Wir haben ein einfaches Dynamometer verwendet, um zu überprüfen, ob es sich nicht bewegen würde. Wir hatten nicht genug Kraft, um 120 kg zu ziehen, konnten aber eine Kraft von 50 kg messen und tatsächlich bewegte sich das Brett überhaupt nicht.
Zufrieden mit diesem Ergebnis beschlossen wir, ein kleineres Kiefernholzbrett auf den Vakuumtisch zu legen (diesmal mit dem Ableitbrett auf der Dichtungsschnur) und ein 25-mm-Planfräswerkzeug zu verwenden. Der Vorgang verlief reibungslos, mit sehr geringen Vibrationen des Brettes, da es trotz seiner geringen Größe sehr gut eingespannt war.
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Wir hoffen, dass Sie diesen langen Artikel nützlich fanden und sich davon inspirieren lassen konnten, Ihre eigene Vakuum-Einrichtung zu entwerfen. Zögern Sie nicht, uns Ihre Erfahrungen mitzuteilen oder sich einfach an uns zu wenden, wenn Sie Kommentare oder Anmerkungen haben.
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