Een vacuümtafel ontwerpen voor uw CNC-machine

Als het gaat om het werken met materialen ter grootte van panelen, zoals multiplex, MDF of kunststof, kan het vastzetten voor de bewerking een uitdagende, maar ook tijdrovende klus zijn.

Hier komt de ingenieuze oplossing van vacuümtafels om de hoek kijken.

Vacuümtafels hebben aan populariteit gewonnen als dé oplossing voor het opspannen van grote CNC freesmachines en daar is een goede reden voor. Ze bieden een mate van eenvoud en veelzijdigheid die moeilijk te evenaren is met traditionele opspanmethoden.

Of je nu een doorgewinterde CNC professional bent of net begint in de wereld van CNC verspanen, het begrijpen van de voordelen van vacuümtafels is essentieel om het volledige potentieel van een CNC freesmachine te ontsluiten.

In dit artikel bespreken we de constructie van een eenvoudig vacuümsysteem dat kan worden geïnstalleerd op ons CNC Fab model.

We leggen ook de belangrijkste concepten uit die je zullen helpen om de belangrijkste aspecten van een vacuümsysteem te begrijpen en je te begeleiden bij het aanpassen van dit ontwerp aan je eigen opstelling.

Laten we beginnen met een zeer korte uitleg van vacuümfysica, dit zal ons helpen begrijpen hoe we ons ontwerp kunnen optimaliseren.

Niet geïnteresseerd in theorie? Ga dan direct naar hoofdstuk 3 voor de bouw.

De standaard atmosferische druk op zeeniveau is 101325 Pa, of ongeveer 1 bar. Deze druk wordt gegenereerd door het gewicht van de lucht om ons heen, die kan veranderen afhankelijk van de hoogte en de weersomstandigheden. Om een vacuüm te creëren, is het daarom nodig om een druk te genereren die lager is dan de atmosferische druk, binnen een bepaald volume.

Vacuümtafels werken door gebruik te maken van dit drukverschil tussen het vacuüm onder een werkstuk en de atmosferische druk erboven.

Deze kracht is recht evenredig met het drukverschil en het blootgestelde oppervlak. Bijgevolg kunnen grotere werkstukken aanzienlijke houdkrachten ondervinden, terwijl kleinere werkstukken aan lagere houdkrachten onderhevig zijn.

Bekijk het onderstaande voorbeeld:

In dit geval hebben we een zijkanaalventilator die een drukverschil van 250 mbar kan genereren onder een multiplex plaat van 50 cm bij 50 cm. Uitgaande van de berekening dat de kracht evenredig is met het drukverschil en het bruikbare vacuümoppervlak, zien we dat het werkstuk een druk van 250 mbar ondergaat.

In dit geval hebben we een zijkanaalblower die een drukverschil van 250 mbar kan opwekken onder een multiplex plaat van 50 cm bij 50 cm. Volgens de berekening dat de kracht evenredig is met het drukverschil en het bruikbare vacuümoppervlak, zien we dat het werkstuk een houdkracht van 625 kg zal ondergaan.

Om te weten of deze kracht zal voorkomen dat het werkstuk beweegt tijdens een job, moeten we ervoor zorgen dat de snijkrachten onder de houdkrachten blijven die op die plank werken. Er zijn hier 4 krachten in het spel:

Om te weten of deze kracht zal voorkomen dat het werkstuk beweegt tijdens een bewerking, moeten we ervoor zorgen dat de snijkrachten onder de houdkrachten blijven die op die plank werken.

Er zijn hier 4 krachten in het spel:

Fh is de houdkracht gecreëerd door het vacuüm + het gewicht van de plank. Uit de theorie van statische wrijving weten we dat deze kracht een wrijvingskracht Ff creëert die voorkomt dat de plank wegglijdt wanneer de radiale snijkracht Fr erop werkt.

Als er een oplopende frees gebruikt wordt, moet er ook rekening gehouden worden met de axiale snijkracht Fa (hoewel deze vaak veel lager is dan de radiale, afhankelijk van de helixhoek van de snijkanten).

Als de vacuümtafel en de plank beide van hout zijn, heeft de statische wrijvingscoëfficiënt een waarde van 0,40. Als we het gewicht van de plaat buiten beschouwing laten, vinden we een totale wrijvingskracht van:

Ff = µ x Fh = 0,40 x 6250 = 2500 N

Om je een (zeer) ruwe vergelijking te geven, een 6 mm frees die door multiplex zaagt met een 100% gereedschapinzet, 6 mm snijdiepte en 5000 mm/min zou een radiale snijkracht genereren in de orde van 50 N. Zoals je kunt zien, is er geen risico dat het werkstuk beweegt tijdens het zagen.

Houd er rekening mee dat de houdkracht die in dit voorbeeld is berekend nog steeds een theoretische waarde is. In de praktijk zijn er een paar factoren die de kracht kunnen verminderen, zoals:

• mogelijke luchtlekken,
• het materiaal van het werkstuk (poreus of niet),
• het ontwerp van de vacuümtafel.

Wat het laatste punt betreft, moet je er altijd rekening mee houden dat het effectieve oppervlak waarop de vacuümkracht werkt alleen geldt voor het gebied met kanalen of groeven.

Daarom is het de oppervlakte van de afgedekte kanalen en niet de oppervlakte van het eigenlijke werkstuk dat de houdkracht zal bepalen. Deze overweging beïnvloedt het ontwerp van onze tafel, zoals je later zult zien.

Ok, genoeg theorie, laten we het over de praktijk hebben en ontdekken hoe we dit kunnen implementeren op onze CNC freesmachine. In het kort bestaat een vacuümsysteem uit de volgende hoofdelementen:

• De vacuümpomp;
• Het plenum;
• Het leidingsysteem dat beide verbindt;
• De ontluchtingsplaat (optioneel)

Laten we eens in de specificaties van elk onderdeel van dit systeem duiken en begrijpen hoe ze samenwerken.

2.1. De vacuümpomp

Er kunnen vele soorten machines worden gebruikt om een vacuüm te creëren, maar we zijn hier voornamelijk geïnteresseerd in twee soorten:

1. Zijkanaalblowers, of regeneratieve blowers;
2. verdringer-vacuümpompen.

Hier is een vereenvoudigde tabel die de verschillen tussen elk type duidelijk maakt. De werkelijkheid is natuurlijk genuanceerder, want er zijn veel verschillende modellen in veel verschillende prijsklassen voor beide, maar dit zou een hint moeten geven over waar je voor moet gaan bij het ontwerpen van je vacuümtafel.

	Zijkanaalblazer	Vacuümpomp
Capaciteit luchtstroom	Hoog	Laag
Vacuümniveau	Laag	Hoog
Kosten	Betaalbaar	Duur
Duurzaamheid	Gevoelig voor defecten	Robuuster

Dankzij hun hoge luchtstroomcapaciteit en betaalbaarheid zijn zijkanaalventilatoren vaak de voorkeursoplossing voor grote CNC-freesmachines, omdat de grootte van de werkstukken de lagere vacuümniveaus compenseert (denk aan de formule: als het drukverschil afneemt, kan dezelfde houdkracht worden toegepast als het oppervlak van het werkstuk toeneemt).

Er is echter één ding om in gedachten te houden: ze kunnen gevoelig zijn voor defecten, meestal veroorzaakt door deeltjes of spanen die de kamer binnendringen en de waaier blokkeren. Als er onvoldoende luchtstroom is, zal de waaier oververhit raken en uitzetten, wat kan leiden tot samensmelting met de behuizing en catastrofale uitval.

Daarom wordt het sterk aanbevolen om een goed filter op de inlaat te installeren, evenals een overdrukventiel dat te allen tijde een minimale luchtstroom laat circuleren.

Vacuümpompen zijn daarentegen zeer geschikt voor kleinere CNC freesmachines, met werkstukken die een kleiner vacuümoppervlak hebben. Ze hebben zelden last van storingen en vormen een kosteneffectieve oplossing die weinig onderhoud vergt.

2.2. Het plenum

Het plenum is een gegroefde plaat met één of meerdere gaten die naar de vacuümpomp leiden. Als de pomp wordt aangezet, ontstaat er een vacuüm in deze vrije kanalen en wordt al het materiaal dat erboven zit naar beneden gezogen. Om lekken en losse vacuümprestaties te voorkomen, wordt vaak een zachte rubberen afdichting in de groeven aan de omtrek van het werkstuk geplaatst.

Je kunt in dit ontwerp zien dat het effectieve vacuümgebied is geoptimaliseerd zonder afbreuk te doen aan de stijfheid van de hele plaat, door gebruik te maken van een kruispatroon op elk vasthoudvierkant. Dit leidt tot een aanzienlijke toename van de houdkracht.

2.3. Het leidingsysteem

Om de luchtstroom naar onze pomp te leiden, zijn er een paar mogelijkheden. De eerste bestaat uit het gebruik van flexibele slangen en pneumatische connectoren. Dit blijkt een efficiënte methode te zijn, die een snel en eenvoudig installatieproces mogelijk maakt.

Hoewel deze aanpak ideaal is voor kleinere vacuümtafels, is voorzichtigheid geboden bij grotere vacuümsystemen, omdat de kleine slangdiameters de luchtstroom zullen beperken.

Voor grotere vacuümtafels is het aan te raden om PVC-buizen en hun standaard koppelstukken te gebruiken. Dit is een goedkope en eenvoudige oplossing, met onderdelen die in elke bouwmarkt te vinden zijn.

Bovendien moet bij het ontwerpen van een grotere tafel ook rekening worden gehouden met het creëren van verschillende zones. Dat kan met verzegelde eindkappen voor elke zone, of met kleppen waarmee je elke zone gemakkelijk kunt openen of sluiten voor het werk.

2.4. De ontluchtingsplaat

De volledige vacuüminrichting eindigt vaak met een MDF-spoelbord (ook wel bleederboard genoemd), dat bovenop het plenum komt. Het voordeel van deze aanpak is tweeledig.

Ten eerste wordt het dure onderdeel van de vacuümtafel beschermd tegen eventuele bewerkingsfouten, omdat het pijnlozer is om een MDF-plaat te vervangen dan een bewerkt plenum. Tegelijkertijd wordt voorkomen dat stof en spanen in de vacuümpomp terechtkomen.

Ten tweede, omdat MDF een poreus materiaal is, zal de plaat het vacuüm uit de kanalen gelijkmatig over het hele oppervlak verdelen. Op die manier is het effectieve oppervlak waarop de vacuümdruk wordt uitgeoefend groter, waardoor een sterkere vasthoudkracht wordt gegenereerd.

Hoewel deze methode effectief is, is het belangrijk om te begrijpen dat hiervoor een zijkanaalblazer nodig is die een groter luchtvolume kan afzuigen, omdat de ontluchtingsplaat lucht lekt uit elk gebied dat niet door het werkstuk wordt bedekt.

Om dit punt te illustreren, zie de prestatiecurve van een zijkanaalventilator van 1,5 kW, waarin het bereikte drukverschil wordt uitgezet tegen de luchtstroomsnelheid.

Je ziet meteen dat de onderdruk omgekeerd evenredig is met de luchtstroom. Stel dat onze MDF-plaat 90 m³/u lekt, dan is het beschikbare drukverschil slechts 150 mbar, vergeleken met 285 mbar bij een perfect afgesloten vacuüm, waardoor bijna twee keer minder kracht wordt gegenereerd!

Natuurlijk is het ook mogelijk om beide technieken te combineren. Je kunt een vacuümmal maken door een afdichtingskoord onder de spoilerplaat te plaatsen op de exacte afmetingen van je werkstuk, om het vacuümgebied in te perken en een groot deel van de lekken te verwijderen.

 

De opbouw in dit artikel is bedoeld om een goedkope maar krachtige vacuümtafel te maken voor een machine met paneelgrootte. Vanwege budgettaire overwegingen zijn enkele ergonomische verbeteringen die hierboven zijn genoemd echter weggelaten, maar voel je vrij om ze toch toe te voegen aan je eigen opstelling.

We hebben besloten om te werken met twee zijkanaalventilatoren van 2,2 kW die parallel worden aangesloten, zodat we meer luchtstroomcapaciteit hebben en een goed vacuüm kunnen handhaven.

Dit is ook een goedkopere optie dan de aanschaf van een grotere en krachtigere blower en stelt ons in staat om binnen het bereik van monofasemotoren te blijven (grotere zijkanaalblowers vereisen meestal een driefasige uitlaat).

Het plenum wordt gemaakt met de standaard MDF-platen uit onze catalogus als basis, omdat deze goedkoop zijn en modulair (slechts één onderdeel kan worden verwisseld als het beschadigd is). Maar je kunt natuurlijk ook een heel paneel gebruiken om de tafel te maken, je hoeft alleen maar de meegeleverde g-code aan te passen (link naar fusieproject hieronder).

Als je voor een meer hoogwaardige versie wilt gaan, raden we je aan om plastic platen van PLA of nylon te gebruiken, omdat deze gemakkelijk te bewerken zijn en een zeer stabiel plenum vormen.

Meestal is het wenselijk om te beginnen met een vlakfreesbewerking, omdat dit je werkgebied perfect nivelleert. Wij hebben besloten dit te vermijden en het hier eenvoudig te houden, omdat de toplaag van MDF niet zo poreus is als de binnenkant.

Dit voorkomt dat we alles moeten surfacen en een composietproduct moeten aanbrengen op het hele bovenoppervlak van ons plenum om het luchtdicht te maken (dit geldt natuurlijk niet als je een ander materiaal dan MDF gebruikt). De perfecte nivellering wordt later bereikt met behulp van een ontluchtingsplaat.

Als je toch wilt frezen, gebruik dan houtsealer op het bewerkte oppervlak en breng ook wat aan op de zijkanten van de plaat om lekken nog verder te beperken. In dit geval raden we ook aan om dikkere planken te gebruiken om voldoende stijfheid te behouden, zelfs na het verwijderen van wat materiaal (25 mm planken in plaats van 18 mm zou bijvoorbeeld een goede optie zijn).

Zoals net uitgelegd gebruiken we een dunne MDF-afblaasplaat boven het plenum, die kan worden gebruikt als spoilerplaat en voorkomt dat de tafel beschadigd raakt als het gereedschap te laag komt tijdens een klus.

We gebruiken ook een afdichtingskoord op het plenum om precies de zones af te bakenen waar het vacuüm moet worden toegepast en om een goed afdichtingseffect te krijgen. Hierdoor kun je minder krachtige zijkanaalventilatoren gebruiken en toch goede resultaten behalen.

Tot slot gebruiken we schuifafsluiters om 4 gedefinieerde zones van het plenum te openen/sluiten. Ook hiermee kunnen we het effectieve vacuümgebied optimaliseren als we niet een hele plaat frezen.

In dit gedeelte wordt stap voor stap uitgelegd hoe je het plenum van ons vacuümsysteem maakt en hoe je een compleet leidingnetwerk met 4 zones implementeert.

Hier zijn belangrijke links die je nodig hebt voor deze bouw:

• Autodesk Fusion 360 project van de gehele assemblage
• G-code van de bewerking van het plenum

We gaan beginnen!

Stap #1 - Het plenum plaatsen

Controleer of het frame van je machinetafel goed waterpas staat. Je hebt een goed vlak werkvlak nodig om goed te kunnen beginnen, vooral omdat we de planken niet gaan vlakfrezen.

Bevestig de vier spoilerplaatdelen. Zorg ervoor dat ze goed zijn uitgelijnd en dat elke schroef goed is aangedraaid.

Stap #2 - Het plenum frezen

Zet je machine aan en wacht tot PlanetCNC geladen is.

Stel de machinein en zet het portaal haaks .

Zonder de machinepositie te veranderen, voer de volgende werkcoördinaten in : (X73.5 ; Y66)

Plaats een 8mm vlakke frees (3-flute in ons geval), en laat 40mm stick-out zodat de machine helemaal onder het plenum kan frezen, anders zal de machine een machinelimietfout geven.

Gebruik de Z-as taster om de gereedschapslengte te meten en stel de as op nul op het bovenvlak van het plenum.

Doe de stofschoen aan.

Laad de G-code en start het programma.

Als de 4 gaten gefreesd zijn, stopt de machine voor een gereedschapswissel. Verwissel het huidige gereedschap voor een 5mm vlakke frees (in ons geval met 2 spiralen).

Vergeet niet een nieuwe gereedschapsmeting uit te voeren om de Z0 opnieuw te kalibreren.

Druk op de pauzeknop om door te gaan met het programma.

Als het programma klaar is, verplaats dan het portaal naar achteren. Schuur de randen van de snedevoorzichtig met fijn schuurpapier en stofzuig het hele plenum.

Stap #3 - Het leidingsysteem aansluiten

Begin met het openen van de 3D-assemblage van het hele systeem om te begrijpen hoe alles zal worden aangesloten.

Het leidingsysteem bestaat uit een netwerk van 63mm PVC-buizen die normaal gebruikt worden voor waterafvoer. Als je wilt, kun je PN10 of PN16 drukbuizen gebruiken, maar dit zal onnodige kosten met zich meebrengen.

De zones worden geactiveerd met behulp van 63 mm schuifafsluiters, die allemaal met elkaar verbonden zijn via een 90 mm verdeler. Dit spruitstuk bestaat uit vier 90 mm T-stukken die samengevoegd zijn en bovenaan een 90-63 mm reductie hebben.

Eerst moet je de pvc-buizen van 63 mm op de vereiste afmetingen snijden:

• 140 mm: 4 stuks
• 570 mm: 2 stuks
• 473 mm: 1 stuk
• 1042 mm: 1st
• 436 mm: 1st
• 237 mm: 2st
• 1361 mm: 1 stuk

Als je klaar bent, gebruik je een bandslijpmachine om een lichte afschuining te maken aan elke kant van de buizen die zijn afgesneden. Schuur vervolgens de oppervlakken die tijdens de montage met elkaar in contact komen, zowel op de mannelijke pijp als op de vrouwelijke aansluiting.

Als je klaar bent, blaas je de pijpen helemaal schoon om het stof van alle oppervlakken te verwijderen, maar ook van de binnenkant (je wilt niet dat dat stof later in je stofzuigsysteem terechtkomt).

Nu heb je een kitpistool met universele lijm nodig om de vier pvc-buizen van 140 mm op het plenum te bevestigen, zodat de afvoer voor elke zone ontstaat.

Breng lijm aan op zowel de PVC-buis als op de binnenkant van het plenum. Steek vervolgens elke PVC-buis in elk gat en zorg dat hij gelijk ligt met de groeven van het plenum. Laat enkele uren drogen, zoals aangegeven op de lijminstructies. Hierdoor ontstaat een sterke verbinding die tegelijkertijd luchtdicht is.

Terwijl de lijm droogt, kun je beginnen met het assembleren van het leidingnetwerk. Probeer voordat je pvc-lijm aanbrengt alles droog in elkaar te zetten om er zeker van te zijn dat alles past en de juiste lengte heeft. Je kunt ook een marker gebruiken om de nesteldiepte van de mannelijke buizen in de vrouwelijke elleboogverbindingen aan te geven, maar ook om ervoor te zorgen dat je overal hoeken van 90° hebt.

Als je klaar bent, gebruik je een klein kwastje om de PVC-lijm één voor één op elke buis en elk verbindingsstuk aan te brengen. Monteer eerst de tussenliggende delen, voordat je ze aan het plenum vastlijmt.

Monteer ook eerst het verdeelstuk, dan is het gemakkelijker om het aan het machineframe te bevestigen.

Verbind ten slotte de uitlaten van elke zone met de voorgemonteerde buizen en kleppen. Mogelijk moet u de twee langste leidingen ondersteunen met klemmen die aan het machineframe zijn bevestigd, zoals hieronder wordt getoond.

Om het spruitstuk aan het machineframe te bevestigen, moet je ook 90 mm pijpklemmen gebruiken. Daarna kun je de laatste onderdelen, het spruitstuk en de klep van elke zone, aan elkaar lijmen.

Stap #4 - De zijkanaalventilator aansluiten

De procedure voor deze stap hangt sterk af van het type pomp of zijkanaalventilator dat je in handen hebt. Is het slechts één unit die rechtstreeks op het spruitstuk wordt aangesloten of zijn het er meerdere die parallel (of in serie) moeten werken, wat is de diameter van de inlaat, zijn er draadaansluitingen nodig... Daarom gaan we niet in op de details van dat deel van de bouw.

In ons geval hebben we besloten om twee dubbeltraps zijkanaalventilatoren te gebruiken, enkelfasig en 1,5 kW. We hebben ze parallel geschakeld om de beschikbare luchtstroom te maximaliseren.

Stap #5 - Een ontluchtingsplaat maken

Om een goedkope en ergonomische ontluchtingsplaat te maken, besloten we een standaard MDF-plaat van 6 mm te gebruiken en deze in 4 gelijke delen te zagen, één voor elke zone.

Om elke plaat te frezen, gebruiken we voor het eerst de vacuümtafel! We willen aan elke kant 1,5 mm verwijderen zodat we platen van 3 mm overhouden.

Breng neopreenkoord aan in de plenumgroeven om een afdichtingsvoeg te creëren aan de omtrek van elke MDF-plaat, in elke zone.

Plaats vervolgens de 4 platen op elke zone en zet de vacuümpomp aan. U kunt nu beginnen met het vlakfrezen (vergeet niet een stofschoen te gebruiken!).

Als je klaar bent, draai je de planken om en herhaal je dezelfde handeling aan de andere kant. Na een snelle stofzuigbeurt zie je hier het resultaat:

Stap #6 - Testen

We keren terug naar ons voorbeeld van een multiplex plaat van 50 x 50 cm met een drukverschil van 250 mbar (bereikt op onze zijkanaalventilatoren bij gebruik van afdichtkoorden). Rekening houdend met een effectief vacuümoppervlak van 50%, zal de plaat een houdkracht ondergaan van ongeveer 300 kg.

Aangezien de plaat op een ander houten oppervlak wordt geplaatst, is de statische wrijvingskracht die voorkomt dat de plaat beweegt ongeveer 120 kg.

We gebruikten een eenvoudige dynamometer om te controleren of de plank niet zou bewegen. We hadden niet genoeg kracht om 120 kg te trekken, maar het lukte ons wel om een kracht van 50 kg te meten en inderdaad, de plank bewoog helemaal niet.

Tevreden met dit resultaat besloten we een kleinere dennenhouten plank op de vacuümtafel te leggen (deze keer met behulp van de ontluchtingsplank bovenop het afdichtkoord) en een 25 mm vlakfrees te gebruiken. De bewerking verliep heel soepel, met heel weinig trillingen van de plank omdat hij heel goed vastgeklemd zat, ondanks zijn kleine formaat.

Tot zover dit lange artikel!

Hopelijk vond je het nuttig en heb je wat inspiratie opgedaan om je eigen vacuümopstelling te maken. Aarzel niet om je ervaring met ons te delen of contact met ons op te nemen als je op- of aanmerkingen hebt.