CNC Portalfräse aus Beton

[Rallinger]

Guten Tag,
danke für die Aufnahme ins Forum! Ich baue Musikinstrumente und möchte mir dafür eine CNC Portalfräse aus Beton bauen. Die Fräse wird einen Verfahrweg von 100x50x13cm haben. Die Säulen haben einen Querschnitt von 70x70mm, die Platten hätten eine Stärke von 30mm. Ich möchte dafür Teile einzeln in Schalung betonieren und diese dann mit Maschinenschrauben zusammenfügen. So soll diese Maschine Stand heute einmal aussehen:


Und hier zur Einfachheit eine Ansicht, bei der nur die Betonteile und die darin zu verankernden Linearschienen zu sehen sind:

Um die Einzelteile zusammenzusetzen, würde ich in die tragenden Säulen Stahlrohre einbetonieren. An den entsprechenden Stellen kämen in die Verstrebungen runde Gewindehülsen, die Teile würden dann mit M10-Maschinenschrauben verschraubt. Für die Linearschienen möchte ich genauso vorgehen: In den Schalungen würde ich ein entsprechendes Lochmuster bohren, dort die Gewindehülsen befestigen und dann mit einbetonieren. Hier zur Visualisierung:



Dazu hätte ich ein paar Fragen:

1. Die Gewindebolzen würden bei dieser Konstruktion auf Zug belastet. Ich überlege daher ob es Sinn macht, die Gewindebolzen noch etwas zu verlängern, auf der Innenseite noch entsprechende Maschinenschrauben einzuschrauben und diese dann mit einzubetonieren. So würden die Schraubenköpfe zusätzlich als Verankerung gegen Zugkräfte wirken. Ist das sinnvoll? Oder eigentlich überflüssig, weil der Beton die Gewindebolzen auch so ausreichend sichern würde?
2. Die Gewindebolzen haben einen Durchmesser von 13mm und sind mittig in eine 30mm Betonplatte eingelassen. Zu beiden Seiten befänden sich also 8,5mm Beton. Muss ich mir hier Sorgen machen dass die Bolzen bei größeren Kräften durch auftretende Punktbelastungen aus dem Beton ausbrechen? Sollte ich zur Sicherheit hier eine entsprechende Bewehrung vorsehen (z.B. mit flachen Lochbändern aus Metall)? Oder ist die Sorge unbegründet? (Ich kann mir beim besten Willen nicht vorstellen dass beim Fräsen von Hartholz solche Kräfte auftreten. Aber lieber frage ich zur Sicherheit mal Fachleute ...)
3. Welcher Beton? UHPC wäre bei Maschinen sicher keine schlechte Wahl. Allerdings habe ich keinen Betonmischer zur Verfügung, sondern nur einen Doppelquirl mit 1800W Leistung. Tegno o.ä. fällt für mich also mangels geeigneter Werkzeuge aus.
   Aktuell überlege ich eine Eigenmischung zu verwenden aus Portlandzement, Basaltbrechsand, Basaltsplitt, Glasfaserschnipseln und Fließmittel. Mischungsverhältnis 1 Teil Zement / 3 Teile Zuschlag (Zuschlag: 2 Teile Sand, 1 Teil Splitt). Die Überlegung ist dass sich Brechsand und Splitt besser verzahnt als Rundkorn und die Zugfestigkeit des Betons sich daher erhöht. Macht das Sinn? Oder welches Material würdet ihr ansonsten verwenden?
4. Gewicht. Ein wenig Sorgen mache ich mir über das Gewicht der Tischplatte (118x78x3cm, ca 65kg). Außerdem soll das X-Portal auch schnelle Bewegungen ausführen können. Ein wenig ist hier also auch die Masse relevant. Ich überlege für diese beiden Teile einen Beton mit Liaver Leichtkörnung anzurühren. Macht das Sinn? Welche Rezeptur wäre hier angemessen?
5. Bewehrung: ich überlege ob es Sinn macht, Volierendraht zu verwenden. Also ein Drahtgitter ähnlich eines Estrichgitters, allerdings mit dünneren Drähten, dafür mit einem Gitterraster von 12mm. Gerade für die Säulen scheint das eine gute Idee zu sein ... ist sie das wirklich? Die Alternative wäre mit einer Kombination aus 6mm Torstahl und einem Glasfasergewebe zu armieren.

Viele Fragen für einen Neueinsteiger und ein ambitioniertes Projekt, ich weiß. Danke für eure Geduld - ich bin für jeden Tipp dankbar, der mir unangenehme Überraschungen erspart!

Viele Grüße,
Ralf

[dr.backstein]

Hallo Ralf,

1) Das Einbetonieren von Gewindebolzen ist grundsätzlich nicht verboten, und es macht auch sinn, eine Mutter daraufzuschrauben und mit einzubetonieren, um eine bessere Verankerung im Beton zu erzielen.

2) Allerdings sollte der Bolzen von genug Beton umgeben sein, damit es nicht zu Rissen kommt. Eine Überdeckung von 8,5 mm ist definitiv zu wenig. Ich würde hier empfehlen, als Platzhalter für den Bolzen einen Silikonschlauch einzubetonieren und in die so entstandene Kavität nach dem Abbinden des Betons den Gewindebolzen mit Reaktionsharz einzukleben.

3) Deine geplante Eigenmischung ist nicht für den Zweck geeignet. Du solltest einen Beton auf Basis von TEGNO® UHPC Spezialzement verwenden. Die empfohlene Standardrezeptur besteht aus 1 kg TEGNO®, 410 g gewaschenem Sand (lufttrocken, Körnung 0 bis 2 mm) und 840 g Basaltsplitt (lufttrocken, Körnung 2 bis 5 mm) sowie 13 g Fließmittel FLUP®-PCE-375 und 160 g Wasser. In Verbindung der DURIGID Körnung lässt sich aus TEGNO® auch ein Sonderbeton mit extrem hohem E-Modul (E > 80 GPa) herstellen. Für diesen Beton besteht die Rezeptur aus 1050 g TEGNO®, 1193 g DURIGID 1-3 mm, 430 g DURIGID 3-6 mm sowie 17 g Fließmittel FLUP®-PCE-375 und 149 g Wasser. Wenn Du so vorgehst wie in meinem Video Mischanleitung Flowstone gezeigt, kannst Du es mit einem Freifallmischer schaffen und brauchst keinen Zwangsmischer. Ein Quirl reicht aber definitv nicht aus.

4) Einen leichten UHPC gibt es nicht. Vieleicht könntest Du die Teile, die hohen Beschleunigungen ausgesetzt sind, aus Aluprofilen machen.

5) Maschinebauteile aus Beton werden grundsätzlich ohne Bwehrung hergestellt. Dahinter steht die Erkenntnis, dass die Bewehrung das Schwinden des Betons ja nicht mitmachen kann und so zwangsläufig Risse im Beton provoziert. Und ein gerissenes Bauteil ist aus schwingungstechnischer Sicht für Maschinen unbrauchbar.

Sven

[Rallinger]

Hallo Sven,
vielen Dank für deine Tipps, das hilft mir weiter!

2) Allerdings sollte der Bolzen von genug Beton umgeben sein, damit es nicht zu Rissen kommt. Eine Überdeckung von 8,5 mm ist definitiv zu wenig. Ich würde hier empfehlen, als Platzhalter für den Bolzen einen Silikonschlauch einzubetonieren und in die so entstandene Kavität nach dem Abbinden des Betons den Gewindebolzen mit Reaktionsharz einzukleben.

Super Tipp, das werde ich machen. Danke!

3) Deine geplante Eigenmischung ist nicht für den Zweck geeignet. Du solltest einen Beton auf Basis von TEGNO® UHPC Spezialzement verwenden.
Wenn Du so vorgehst wie in meinem Video gezeigt, kannst Du es mit einem Freifallmischer schaffen und brauchst keinen Zwangsmischer. Ein Quirl reicht aber definitv nicht aus.

Zur Not könnte ich mir einen Betonmischer mieten. Die Frage ist aber ob UHPC für diese Anwendung nicht ein wenig überdimensioniert ist. Mir ist klar dass schwere Industriemaschinen damit gebaut werden (müssen), aber ich will keine industrielle Fertigung damit aufziehen. Für den Einsatzzweck der Maschine verwenden viele Leute CNC-Maschinen aus Sperrholz. Ich hätte es gerne stabiler, daher möchte ich mit Beton bauen.

Angesichts dessen würde ich davon ausgehen, dass schon eine CNC aus "ganz normalem" Beton für diese Zwecke überdimensioniert wäre. Oder hält nur UHPC Schwingungen gut stand?

4) Einen leichten UHPC gibt es nicht. Vieleicht könntest Du die Teile, die hohen Beschleunigungen ausgesetzt sind, aus Aluprofilen machen.

Dieselbe Frage wie oben: ist UHPC unbedingt notwendig, oder reicht auch ein schwächeres Material? Von den auftretenden Kräften her gehe ich davon aus. Aber den Einfluss von Schwingungen kann ich nicht beurteilen.

5) Maschinebauteile aus Beton werden grundsätzlich ohne Bwehrung hergestellt. Dahinter steht die Erkenntnis, dass die Bewehrung das Schwinden des Betons ja nicht mitmachen kann und so zwangsläufig Risse im Beton provoziert. Und ein gerissenes Bauteil ist aus schwingungstechnischer Sicht für Maschinen unbrauchbar.

Gilt das auch für Textilbewehrung? Ich meine, es werden ja auch Tischplatten aus Beton hergestellt, ohne dass es diese zerreißt. Oder besteht die Gefahr, dass Mikrorisse durch die Vibrationen immer weiter reißen? Würde eine Schicht Epoxy hier Abhilfe bringen können?

Danke und viele Grüße,
Ralf

[dr.backstein]

Hallo Ralf,

ich könnte mir vorstellen, dass es für Deine Zwecke erheblich passender wäre, eine Rahmenkonstruktion aus Vierkantrohren zu bauen und die Rohre mit Beton zu verfüllen. Dafür würde man dann DURFILL® Quellvergussmörtel hochfest verwenden, der sich auch mit dem Quirl mischen lässt.

Es stimmt übrigens, dass eine Textilbewehrung keine Risse provoziert. Allerdings liegt es in der Natur einer Bewehrung, dass sie (Spannbeton mal ausgenommen) erst dann in Funktion tritt, wenn der erste Riss bereits da ist. Vorher liegt sie einfach nur da und tut nichts, und den Riss kann sie, wie gesagt, sowieso nicht verhindern. Näheres dazu findest Du auf Seite 8 meiner Werkanleitung Textilbeton.

Sven