CNC自造者工作檯

一月 18, 2015
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使用AtFab的參數設計程式,替你的工作坊量身訂作一臺開放原始碼的CNC工作臺──或者直接下載《MAKE》團隊的設計檔來用。
當我們搬進《MAKE》在美國羅德島普羅維登斯(Providence)的辦公室又需要一些傢俱時,我決定自己用合板製作一張高腳工作臺來放置3D印表機跟其他CNC機具。我已使用過大型的CNC切割機,同時我也想要依據我測量出來的尺寸來設計一個客製工作臺,並且我個人偏好站著來操作機器而不是坐著。

所以我選擇開放原始碼的AtFab參數設計軟體,用來配置出儘量符合我自身人體工學的桌子。先用CAD程式調整設計檔標出裁切路徑,再用ShopBot CNC切割機切割合板。最後,將合板打磨並上色,讓它看起來像是回收或是風乾過的木板,接著用手組裝起來。

根據你所擁有的工具與材料的多寡,可以選擇製作出100美元的半成工作臺,或是用180美元打造出更完整的CNC自造者工作臺。



為什麼要新的自造者工作臺?
如果您有去過Maker Faire,就一定有看過自造者工作臺,它是一種用合板、板金夾和鋁管打造的工作臺。非常耐用,但高達500美元的材料費讓它成為昂貴的品項,也沒有我想要放在辦公室的那種家具成品的外觀。所以,我選擇根據成本、取得必要機器的能力和自行設計的能力來為工作臺做CNC

AtFab參數式工作臺登場
「一到多(One to Several)」工作臺的製造者是創造AtFab CNC家具系列的得獎建築師 Filson and Rohrbacher
這款工作臺可以藉由自訂尺寸和細部工法來做出各種不同的設計。AtFab正在開發好幾種參數式家具設計應用程式,但仍在預覽版本(Alpha)階段,尚未公開,但等待已經結束了!
AtFab很慷慨地給我「一到多」工作臺的處理版來製作CNC自造者工作臺,還讓我把這個應用程式提供給MAKE的讀者,讓大家都可以來製作!

下載
參數式處理應用程式(Parametric Processing App)、CNC自造者工作臺和ShopBot .CRV檔案可以從GitHub下載。您可以從頭開始設定工作臺或是跳過應用程式,直接使用我的檔案。

設備規格
機座大小要求
機器的取得是這個專案很重要的一部分。要依照這些檔案進行切割會需要CNC路由器。有4’×8’1,219.2mm × 2,438.4mm)機座的機器較為適合,因為合板每塊的尺寸通常為4’×8’。合板尺寸越大,組件的規劃就越簡單,浪費的材料也越少。然而,用4’×6′的切割區也可以製作這個設計。

去哪裡找cnc機器?
現在你可以在Fablab自造者空間、駭客空間與Techshop中接觸到大型CNC雕刻機,使用的費用有高有低,例如同樣的檔案,在AS220工作室使用機器來切割,兩個小時下來只需要花費25美元。你也可以請Fablab100kGarages裡的個人工作者來幫你依檔案內容進行加工。

尋找你附近有機器的地方http://www.makezine.com.tw/makerspace.html

分享你的設計
我們想看看大家所設計的參數桌子! 請將你的設計與故事寄到anna@makermedia.com

授權
根據AtFabOpenDesk授權Anna Kaziunas FranceCNC自造者工作臺的授權是根據CC BY-NC-SA 4.0授權 此允許範圍之外的授權可向AtFab申請。

材料

  • 合板,3/4″厚,4’×8′2):我所用的是傢俱用品建材店家得寶(Home Depot)的Pure Bond合板。
  • 砂紙,號數80100
  • 木螺絲,#6×1 5/8″牆用螺絲,Grip Rite網站商品編號#158SDDW1
  • 抹布
  • 罩布(傢俱用)
  • 工作手套

選用材料

  • 木材用染料:我選擇的是Minwax的油性黑檀木室內用加工染劑Oil-Based Ebony Wood Finish Interior Stain
  • 助染劑:我選擇的是MinwaxPre-Stain Wood容量1 夸脫。
  • 上色用軟墊
  • 乳膠或合成橡膠手套


工具

  • CNC雕刻機,切割範圍最小需4’×6′,但4’×8′較理想。
  • 數位游標卡尺
  • 電鑽,鑽頭5/16″,十字螺絲起子
  • 鑽頭(非必要):如果你要用螺絲組裝的話。
  • C型夾(非必要),如果你使用黏著劑的話,可以在harborfreight.com上找到便宜的C 型夾。
  • CAD或繪圖軟體:可以操作向量以及打開或匯出DXF檔案的軟體,例如RhinoIllustratorAutoCAD,或Inkscape
  • Processing,版本 1.5.1www.processing.org/download/?processing
  • ControlIP5函式庫,版本1.5.2code.google.com/p/controlp5/downloads/list
  • AtFabOne to Several Table」參數設計程式,github.com/akaziuna/cnc-standing-heightworkbench


第一步:評估人體工學、進行設計決策

  • 設計量身訂做站立高度工作臺的時後需要考慮的因素中最重要的是自己的身材,比如站著的時後手放在什麼地方。為求最好的人體工學,工作臺的高度應該要在比手肘彎曲的高度稍低的地方。
  • 我的身高是5’7″,所以41″1,042mm)的工作臺剛剛好,但您需要量一下自己的身材才知道怎樣最好,而且這是個參數式的設計,可以讓您自由調整(加上一點CAD的處理)。

第二步:測量工作空間

  • 為了要對工作臺所佔的空間有點概念,我從牆壁開始量出工作臺的寬度,用膠帶標記,接著再用膠帶把剩下的部份量出來。
  • 我的工作臺高度是41″1,042mm),但您的可能需要高一點。也要檢查牆壁上的電燈開關或是插座等等會不會被擋到。 
  • MAKE的普羅維登斯辦公室很奇特,我想要放兩張工作臺的地方的地板上伸出兩根管子。我考慮過製作能包覆那些管子的工作臺,但最後決定需要讓辦公室保有重新設計的能力,所以製作兩張利用管子中間牆面空間的工作臺,不需要特殊的切割。

第三步:選擇材料

  • 製作一張工作臺會需要兩塊4′×8′的合板。最後會浪費掉一些,但有些可以用來做測試,零碎的部份也可以用在其他的專案上。
  • 我選用的是Home DepotPure Bond 合板,它有漂亮的外觀,而且不需要什麼剝離處理就能上機。我用樺木、紅橡木和白楊木做起來都很順利,但白楊木的外觀就沒那麼好看。
    別貪便宜買次級品,不然到最後會後悔的。
  •    照片從左到右 — 4′ x 8′ 合板
  • 為什麼使用合板?在這種專案中,合板比其他材料來得合適,因為它有彈性。如果接合處做得稍微太緊,或是合板厚度不平均,可以用槌子來敲合,合板的木材會有調整的空間。

第四步:購買材料

  • 尋找平面的合板。不管在哪裡購買,花點時間檢查每塊合板,如果是彎曲的,會讓正確的組裝有困難。
  • 在店裡測量。用電子卡尺測量合板厚度。如果差異很大的話(比如整整差1mm以上),就換挑厚度比較接近的。
  • 從同一塊棧板挑選。天然的材料會有變化。盡可能從同一塊棧板取得所有需要的合板。每塊合板的厚度可能會差很大,但在同一塊棧板上的(應該)會差比較少。另外,不同棧板上木材外觀會稍有差異,要配對紋路比較困難、可能無法吸收色料,或在雕刻機上無法進行相同的剝離處理。(這部分稍後討論。)
  • 避免「空洞」也就是層壓木板分離而留下空洞的地方,尤其在上方表面。這種合板通常有一個「A」面(外觀漂亮,沒有節點)和可以接受,但沒那麼好的「B」面。家具完成後,只會看到其中一面,所以切割時讓「A」面朝上。只要確定有好看的一面,就不用太擔心另一面。
  • 找人幫忙。我發現像Home DepotLowe’s這些店的員工都很樂意幫客人搬木板和棧板,直到找到狀況好的平直木板。別浪費錢,花點時間在挑木板上。

第五步:測量兩次,因為只能切一次

  • 合板的標示厚度不可靠。「硬木合板的厚度常常和標示的尺寸不符,造成作業上的困難。例如,如果買的是3/4″的木板,差距可能會有1/64″1/32″這麼多。」
    木材雜誌(Wood Magazine),2013 
  • 再次用電子卡尺測量每塊木板,在寬邊和長邊上的多個地方確認厚度,因為對接合很重要。由於會有差異,做個表格來記錄測量的結果。
  • 例如:我第一張工作臺用的合板測量結果是:
    • 第一塊厚度範圍:17.5mm–17.8mm
    • 第二塊厚度範圍:18.3mm–18.5mm

第六步:下載、安裝並設定軟體和相依性

  • 下載並安裝Processing。我用2.1.1Processing測試AtFab的應用程式processing.org下載
  • 需要1.5.2ControlP5資料庫來執行這個應用程式  ControlP5網站下載。首頁的說明會指示要把資料庫放在哪裡。 
  •  Anna’s GitHub Repo下載「一到多」Processing程式碼。

第七步:使用「一到多」應用程式

  • Processing開啟「一到多」程式碼。在圖表為了雜誌繪製後,應用程式已經更新,所以選項的名稱有些許不同。
  • 輸入工作臺尺寸數值到AtFab的參數設計應用程式中。
    我的數值:

    • 扣件孔:已選
    • 寬度:600mm
    • 長度:1520mm
    • 高度:1042mm
    • 比例:任意
    • Sniglet Rows5.0
    • 材料厚度:18.5mm
    • 扣件(直徑):5mm
    • 選項:未選擇
    • 註:我進行工作臺的機器切割時用的是6.5mm的孔,但已經無法再這樣進行。


  • 輸出向量。按下儲存按鈕並在跳出的視窗中為檔案命名,就能把自己的設計用DXF格式輸出。

第八步:延長支腳

圖說:只延伸這區來達到所需的高度

  • 用喜歡的CAD程式開啟DXF檔。把工作檯的支腳延長到41″1,042mm)或您選擇的長度。參數應用程式很棒,但還無法把支腳延長到站立的高度,所以需要手動調整向量再組合。
  • 我在工作臺外圍畫了所需高度的框框,再把支腳的向量移到框框底部,接著依此把它們組合。
  • 訣竅:AtFab的安‧菲爾森(Anne Filson)建議僅延長支腳的上半部,不更動支腳下部和接點。 
  • 訣竅:延長一隻邊腳和一隻前腳,再複製它們。
  • 特別注意:記得把孔洞和支腳一起移動。確認在移動支腳時有同時選取並移動鑽孔,否則孔會出現在錯誤的位置。

第九步:組合向量

  • CAD程式裡點選形狀的時後,應該要整個形狀都有反白。如果有分離的線段,務必要把向量連接起來。
  • 要有接合的向量才能產生機器的刀具路徑。若採用PartWorksVCarve Pro來製作刀具路徑,可以利用軟體內建的接合工具,非常方便。

第十步:重組零件

  • 先把畫布尺寸調整成雕刻機機座的大小,接著把每個零件在4′×8′的合板上安排好位置。
  • 把畫布尺寸設成從AtFab應用程式輸出的單位。輸出的DXF檔預設單位是mm,所以為了避免換算問題,寬度8′ = 2438.4mm,高度4′ = 1219.2mm
  • 預留「切割緩衝」。木材會需要用螺絲固定在機器上,除非有真空固定系統。用偏刀在木板四周規劃出25.4mm1″)的緩衝區,否則可能會切到螺絲,弄壞鑽頭。
  • 這個排列會有一些浪費的木材,可以用在測試切割,或是用在之後的作品上。如果要製作一張以上的工作臺,可以在試切後利用多餘的空間來製作更多的零件和支腳。
  • 最終的檔案可以在我的GitHub repo下載。

第十一步:工具、進給和速度

各刀具路徑的鑽頭大小
TOOL PATH 刀具路徑
BIT SIZE 鑽頭大小
Test cuts 試切
Robot pocket 機器人口袋
Drill 鑽孔
Inside profile 內側輪廓
Outside profile 外側輪廓
All bits used were 2-flute downcut bits. 
所有使用的鑽頭皆為雙溝下切鑽頭。

PRS標準之進給和速度
SETTING 設定
FOR 1/4″ ENDMILL 1/4″端銑刀
FOR 1/8″ ENDMILL 1/8” 端銑刀
Stepover步距
Spindle speed心軸速度
Feed rate 進給速度
Plunge rate下刀速度
Sec 秒

  • 切割採用的是ShopBot PRS標準,備有可調速度的心軸。
  • 以下是我在每種尺寸工具使用的進給和速度 
    1/4″
    端銑刀(下切):

o    步距:0.125″

o    心軸速度:12000 rpm

o    進給速度:3.2 /

o    下刀速度:1.0/

1/8″端銑刀(上切):

    • 步距:0.125″
    • 心軸速度:14000 rpm
    • 進給速度:3.27/
    • 下刀速度:1.1/
  • 工具。我切割時用的是下切或「下旋」的鑽頭。
    下切鑽頭會使切屑往下留在機座上切割的零件周圍,將之固定。 這裡有詳細說明。我所有的木製零件都是這樣切割,降低對「鎖片」的需求。鎖片是為了在切割時固定零件而製作的設計零件。
  • 切屑量是鑽頭旋轉一圈所移除的材料量。鑽頭越小,每切一次能移除的材料就越少。工具製造商Onsrud有提供多種不同工具的切屑量資訊
  • 進給和速度由數學公式計算,提供您鑽頭和切割材料安全設定的參考。 比較有經驗的時後,可以給工具增加負荷,縮短切割時間。移動工具的速度應該要達到鑽頭切屑量所允許的上限,同時不損壞鑽頭或犧牲成品品質,因為切割時會累積熱能,若移動太慢會起火。
  • 如何計算(大略):
    • 切屑量:~ 0.001″–0.010″ 進給速度(吋/分)/RPM x 溝數)
    • 切割深度:~ 工具直徑
    • 步距: ~ 工具直徑/2

第十二步:設計刀具路徑

  • 規劃刀具路徑。如果像我這樣鑽孔,並且在木材表面進行裝飾蝕刻(像這裡的MAKE機器人),每項操作會需要個別的刀具路徑。視蝕刻的圖案尺寸而定,可能需要比切穿所用的工具還小的工具來進行。
  • 請注意這個專案有兩種不同的刀具路徑:
    • 內側切割 桌面上「十字」或「加號」的缺口標記。
    • 其餘部分進行外側切割。

「內側」和「外側」切割指的是鑽頭切在向量的內側或外側。工具在切割材料時會移除相當量的材料(稱為「刻幅」),所以要正確設計切割路徑,否則零件會無法組合。可以從 OpenDesk 下載切割和組裝說明,有清楚指出那些刀具路徑是「內側」和「外側」。

  • 除非您打算把工作臺黏起來,不用合釘或螺絲,否則記得要鑽出標記 / 穿通孔。我鑽了6.5mm (1/4″)的螺絲穿通孔。
  • 刀具路徑必須以正確的順序切割:先進行蝕刻,接著鑽孔、內側切割、最後外側切割。(不要把零件切下來才要在上面鑽孔或蝕刻。)
  • CAM軟體上預覽刀具路徑。
  • 產生並以適合機器的格式儲存刀具路徑。 
  • 如果採用的是PartWorks,請依照 ShopBot的教學

第十三步:試切

  • 依試切路徑切割並把試切零件接合起來。根據AtFab的說法,接合後應該可以在接合處放進一到三張名片。可能會需要調整檔案讓零件正確地接合。可以參考OpenDesk的切割和組裝說明。
  • 我的接合點非常緊,要用槌子把它們敲到定位,但很順利。

第十四步:切割檔案

  • 對組裝測試滿意之後,就可以開始切割檔案了。這是好玩的部份。進擊吧,ShopBot
  • 準備好機器,裝上適當的鑽頭,並依正確的順序依照刀具路徑切割。
  • 安全第一!記得配戴眼睛和耳朵的保護措施。

第十五步:檢查切割成品

  • 關於剝離。有時後合板在切割邊員會產生「剝離」或碎片,通常出現在工具切出木材,切穿的底部的地方(用下切鑽頭時)。用銳利的工具可以降低剝離。我在不同棧板的木材切出來的剝離情形差異很大,所以請多留意。
  • 針對本專案,不用太擔心下方產生的剝離,因為看不見,但要注意不同棧板的合板切割時剝離情形可能差異很大。
  • 切割機也會留下一些痕跡,可以選擇把它們磨掉或不理它們,都沒關係。

第十六步:打磨

  • 我用80 grit的砂紙把切割零件下面由下切鑽頭產生的輕微粗糙邊緣磨掉。正面的切口非常乾淨。 
  • 我用80150 grit的砂紙來打磨蝕刻機器人圖案和其他正面需要打磨的地方。
  • 訣竅:用小木塊作為打磨塊。把砂紙包在木塊上再開始打磨,會容易許多。

第十七步:清除木屑、測試色料和預處理

  • 在打磨後和上色料前用吸塵布去除細木屑。
  • 在把色料上到成品前,先在每塊木板的多餘木材上測試色料。不同的合板吸收色料的情形會不一樣,所以測試到滿意再實際進行。油性的色料可能會弄得到處都是,所以記得用防水布。
  • 用色料預處理劑讓色料更平均。

第十八步:色料

  • 用上色布圖上黑色色料,幾分鐘後趁色料還濕潤時再擦除,製造暗色、成熟而且有紋路的效果。
  • 訣竅:油性色料有臭味,所以室內空間要有良好通風。可行的話,在室外上色料,並讓木材盡可能長時間的通風。在室內的話,點些蠟燭來燒掉揮發氣體。也有人會用一桶水加醋和吸收杏仁精油的棉球來吸收氣味。

第十九步:組裝(一)

依順序組裝工作臺,否則會沒辦法正確組合,很麻煩的。

  • 橫木
  • 回到橫木
  • 單邊
  • 正面
  • 另一邊

·         最後才裝桌面 — 參照下一步

第二十步:組裝(二)槌子

  • 若接合處有點太緊,用槌子敲一敲,合板會調整。
  • 最後才裝桌面。可能會需要用槌子敲到定位。先用布包起來,以免磨損。

第二十一步:組裝(三)螺絲

  • 鑽出埋頭孔。如果螺絲頭太大放不進1/4″鑽孔,用5/16″鑽頭來鑽埋頭孔。如果尺寸吻合就不用了。 
  • 把支腳和桌面用螺絲固定。強烈建議使用螺絲。可以用黏膠來填滿比較鬆的接點。如果遇黏膠的話,記得要夾緊並等它乾燥。
  • 訣竅:在鑽頭上用膠帶做記號,才不會鑽太深。

第二十二步:分享您的設計

看了我的設計,換我看看你的了。把您的設計、訣竅和經驗到anna@makermedia.com吧。

第二十三步:多做一些!

做這個會上癮的。只做一張還不夠痛快。我現在已經做了四張自造者工作臺了。 😉


ANNA KAZIUNAS FRANCE
Maker Media數位製作編輯
安娜‧法蘭斯Make:實驗室測試有關數位製作的硬體。她對任何有關數位製作的想法都很有興趣,例如將程式碼轉化成實物;喜歡電腦控制、多參數操控和開放程式碼的專題,如果可以結合三者就再好不過了。

她是Fab Academy 的執行長,也是Getting Started with MakerBot的作者之一。2013年出版Make: 3D Printing20142015 年撰寫「3D列印機評測」 2014 3D Printer Shootout

(譯:林品秀)
原文

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