Как сделать станок для изготовления печатных плат

Как изготовить печатные платы на станке с ЧПУ

Недорогое производство печатных плат интересует большинство радиолюбителей. Еще недавно выбор технологий был маленьким, но после стремительного развития техники у людей появилась возможность быстро, дешево и качественно делать заготовки для своих проектов на дому. Для этого сейчас используются станки с ЧПУ.

• Что надо для гравировки печатных плат на фрезерном станке ЧПУ?
• Создание проекта
• Создание управляющей программы
• Использование софта
• Особенности технологического процесса

Что надо для гравировки печатных плат на фрезерном станке ЧПУ?

Прежде всего, необходимо наличие фрезерного станка, который управляется программно. Оборудование должно быть способно выполнять фрезерование плат, что требуется для создания токопроводящих дорожек. Также устройство должно выполнять сверление отверстий для установки электронных компонентов.

Кроме того, станок должен уметь выполнять контурную обрезку заготовки.

Для работы потребуется:

1. Заготовки, из которых будут изготавливаться платы. Они могут различаться по типу материала. Можно использовать гетинакс, металл, целлюлозную бумагу со стеклотканью и эпоксидной смолой, фольгированный стеклотекстолит. Какой материал использовать, выбирает мастер.
2. Фоторезист, который имеет светочувствительный слой.
3. Набор сверл — от 0,4 до 3 мм.
4. Набор фрез, включая конические и «кукурузу».
5. Вещества, при помощи которых выполняется травление заготовки.
6. Сплав Розе для залуживания проводников.
7. Система опторазвязки на LTP порт.
8. Софт.

Это главное, что требуется для начала производства ПП.

Создание проекта

Сделать проект ПП можно с помощью большого количества программ, которые загружаются в устройство. Но чаще всего используется Eagle. Рисунок нужно выполнять на каждом слое:

1. Bottom — для нижних дорожек.
2. Top — для верхних дорожек.
3. Dimension — для контуров платы.
4. Milling — этот слой предназначен для фрезеровальных работ.

Когда при создании проекта применяют программу Sprint Layout, необходимо учитывать особенности работы с фольгированными материалами. Дорожки делают широкими для образования зазоров. По ним смогут пройти граверы. В качестве нулевой точки системы координат обычно выбирают левый нижний угол.

ВАЖНО . Зазоры необходимы, чтобы дорожки не пересекались с контуром. Их делают между дорожками и краями ПП.

После открытия окна, где выбираются настройки фрезеровальных работ, выбирается ширина дорожки. Она чаще всего равняется толщине инструмента. После этого размечаются отверстия, выбирается скорость и траектория выборки на заготовке.

Необходимо внимательно следить, чтобы из-за ширины инструмента не появились замыкания между дорожками. Особенно, когда изготавливается сразу большая партия плат. Все они будут непригодны к использованию.

Создание управляющей программы

Теперь переходят к подготовке управляющей программы. Нужно открыть файл, который регулирует ход работы. В нем выбираются значения, регулирующие параметры фрезерования, которые зависят от модели используемого устройства, обрабатываемого материала и выбранного инструмента. Производится настройка глубины прорезания и рабочей подачи. После этого происходит конвертация кода, и программа создает G-код.

Глубина фрезеровки выбирается экспериментально. Настройку нужно производить так, чтобы фреза выбирала только внешний слой. Когда файл будет подготовлен, его загружают в Mach3. Далее выставляются нули, и начинается работа станка.

Для других процессов (например, вырезание по контуру и сверление) файл подготавливается точно так же. После настройки файлы загружают в Step Cam. Их следует сохранять отдельно.

Глубину обработки нужно определять, опираясь на толщину материала. Если она составляет 1,5 мм, то глубину сверления выставляют в 1,6 или немного больше.

По контуру фрезеруют в 2—4 прохода. Глубину выборки выставляют в 0,5 мм. После каждого прохода необходимо вручную опускать инструмент по вертикальной оси и делать обнуление.

Станок вернется к нулевым координатам. При работе со станком нужно обращать внимание на разницу сверл. Программа Mach3 способна самостоятельно определить длину сверла и отключить работу станка во время смены инструмента.

Использование софта

Наиболее популярные программы для работы на станках с ЧПУ:

1. Estlcam. Достаточно удобная и многофункциональная программа, предназначенная для создания G-кода. Она может работать с метрическими единицами измерения, а также переводить файлы в различные форматы. Станок можно запускать непосредственно из меню программы. Также с ее помощью можно управлять работой устройства с компьютера.
2. Free Mill. Тоже применяется для создания G-кода. Это бесплатная программа. С ее помощью можно задавать направление, по которому будет перемещаться инструмент, выполнять резание, разрабатывать чистовые и черновые направления.
3. DeskProto. Позволяет разрабатывать проекты для одной детали или операции. В программе отсутствует ограничение на размер документа, поэтому сложность может быть любой.

Особенности технологического процесса

При создании печатных плат на станках с ЧПУ необходимо быть внимательными к определенным нюансам:

1. Для получения фотошаблона на плате можно использовать лазерный принтер. У универсальной пленки две рабочие стороны. Гладкую можно использовать для лазерного принтера, а шершавую — для струйного.
2. Рабочий стол должен быть идеально ровным и плоским. Его можно изготовить из толстой фанеры с последующей торцовкой.
3. Листовой стеклотекстолит часто имеет неидеальную форму. В разных местах у него может отличаться толщина. Из-за этого сверлить нужно с допуском небольшого прорезания.
4. Фрезеровочные работы просто выполнить при помощи гравера «пирамидки». Его диаметр должен быть от 0,4 до 1 мм. Для вырезания контура лучше всего подходит фреза «кукуруза». А для сверления отверстий понадобятся сверла с диаметром от 0,8 мм.
5. При правильной настройке для изготовления плат можно использовать и лазерный гравер. Но после этого заготовка нуждается в дополнительной обработке.
6. Пыль со стеклотекстолита очень вредна для дыхательных путей. Над станком желательно установить вытяжку. Также можно дополнительно смачивать печатную плату водой при помощи медицинского шприца. Если нет возможности установить вытяжку, то нужно использовать респиратор или влажную повязку на лицо.
7. Гетинакс не рекомендуется для изготовления ПП, так как во время пайки он выделяет очень неприятный запах.

Использование станка с ЧПУ для изготовления печатных плат позволяет добиться высокого качества и скорости производства. Радиолюбители получили возможность использовать ПП с минимальной шириной дорожек, что еще совсем недавно было невозможным.

Как сделать станок для изготовления печатных плат

Изготавливать печатные платы возможно на следующих фрезерных гравировальных станках с ЧПУ

Изготовление печатных плат — задача которая в XXI веке должна выполняться роботами или на фрезерных станках с числовым программным управлением.

Большинство фрезерных станков MAGIC позволяет изготавливать печатные платы: сверлить и фрезеровать отверстия.

На видео кратко показан процесс изготовления печатных плат без травления

При таком изготовлении печатной платы, не требуется фоторезист, лазерно-утюжная технология, травление хлорным железом и другие более трудоемкие способы изготовления печатных плат.

Расстояние между дорожками печатной платы может быть от 0,05 мм. Размер отверстий от 0,2 мм. При этом минимален риск поломки тончайших сверел, поскольку подачу сверла осуществляет станок в автоматическом режиме и строго перпендикулярно печатной плате.

Одной из приятных особенностей программы MagicArt является то, что Вы можете нарисовать печатную плату черным фломастером, отсканировать и программа сама распознает контуры для фрезерования. Вам не понадобится отрисовка печатной платы в сторонних специализированных программах.

Если же печатная плата сложная и содержит большое количество мелких элементов, то Вы с легкостью можете импортировать макет печатной платы в программу MagicArt и изготовить печатную плату практически в автоматическом режиме.

Для изготовления печатных плат можно использовать следующие фрезерные станки с ЧПУ

Фрезеровка печатных плат на чпу станке

Изготовление печатных плат — довольно трудоемкий процесс. Для производства этих изделий может использоваться химический способ нанесения, привлечение организаций, занимающихся этой работой, но это довольно длительный процесс. В последнее время становится все популярнее фрезеровка печатных плат на ЧПУ.

Плюсы и минусы фрезерования

С помощью ЧПУ станка можно выполнить фрезеровку печатных плат быстрее, чем другими способами. К достоинствам использования такого оборудования относятся такие качества:

• минимальное участие человека в выполнении резки;
• работа выполняется без вредных веществ, которые загрязняют внешнюю среду;
• возможность повторного проведения процесса при правильном настраивании оборудования;
• производство одинаковых деталей в крупных масштабах;
• высокое качество работы.

К недостаткам использования фрезерования можно отнести высокую стоимость некоторых видов фрез и скапливание большого количества отходов в канавке, что приводит к налипанию стружки на инструмент.

Как создаются платы?

Для изготовления печатных плат необходимо выполнить такие задачи:

• поиск программного обеспечения;
• подготовка файлов для начала работы;
• производство.

Программы для этой работы можно найти в интернете. Самыми популярными являются Sprint Layout, PCad, OrCad, Altium Designer, Proteus и многие другие. Количество необходимых файлов для начала изготовления детали зависит от объема и сложности задачи. Для этого нужна топология, схема сверления отверстий, информация об обрезке контура и схема готовой платы. Само производство проводится в несколько этапов. Это сверление отверстий под штифты, их вставка. После этого деталь обрезается по контуру и наносится запрограммированный рисунок.

Фрезерование печатных плат — это удобный и выгодный способ для тех, у кого имеется станок ЧПУ, или для предприятий, которым необходимо изготовить большое количество одинаковых деталей.

Делаем настольное устройство для изготовления печатных плат в один клик

В очередной раз отмывая раковину от рыжих пятен хлорного железа, после травления платы, я подумал, что пришло время автоматизировать этот процесс. Так я начал делать устройство для изготовления плат, которое уже сейчас можно использовать для создания простейшей электроники.

Ниже я расскажу о том, как делал этот девайс.

Базовый процесс изготовления печатной платы субтрактивным методом заключается в том, что на фольгированном материале удаляются ненужные участки фольги.

Сегодня большинство электронщиков используют технологии типа лазерно-утюжной для домашнего производства плат. Этот метод предполагает удаление ненужных участков фольги с использованием химического раствора, который разъедает фольгу в ненужных местах. Первые эксперименты с ЛУТом несколько лет назад показали мне, что в этой технологии полно мелочей, порой напрочь мешающих достижению приемлемого результата. Тут и подготовка поверхности платы, и выбор бумаги или иного материала для печати, и температура в совокупности со временем нагрева, а также особенности смывки остатков глянцевого слоя. Также приходится работать с химией, а это не всегда удобно и полезно в домашних условиях.

Мне хотелось поставить на стол некоторое устройство, в которое как в принтер можно отправить исходник платы, нажать кнопку и через какое-то время получить готовую плату.

Немного погуглив можно узнать, что люди, начиная с 70х годов прошлого века, начали разрабатывать настольные устройства для изготовления печатных плат. Первым делом появились фрезерные станки для печатных плат, которые вырезали дорожки на фольгированном текстолите специальной фрезой. Суть технологии заключается в том, что на высоких оборотах фреза, закрепленная на жёстком и точном координатном столе с ЧПУ срезает слой фольги в нужных местах.

Желание немедленно купить специализированный станок прошло после изучения цен от поставщика. Выкладывать такие деньги за устройство я, как и большинство хоббийщиков, не готов. Поэтому решено было сделать станок самостоятельно.

Понятно, что устройство должно состоять из координатного стола, перемещающего режущий инструмент в нужную точку и самого режущего устройства.

В интернете достаточно примеров того, как сделать координатный стол на любой вкус. Например те же RepRap справляются с этой задачей (с поправками на точность).

С одного из моих предыдущих хобби-проектов по созданию плоттера у меня остался самодельный координатный стол. Поэтому основная задача заключалась в создании режущего инструмента.

Вполне логичным шагом могло стать оснащение плоттера миниатюрным гравером вроде Dremel. Но проблема в том, что плоттер, который можно дешево собрать в домашних условиях сложно сделать с необходимой жесткостью, параллельностью его плоскости к плоскости текстолита (при этом даже текстолит сам по себе может быть изогнутым). В итоге вырезать на нём платы более менее хорошего качества не представлялось бы возможным. К тому же не в пользу использования фрезерной обработки говорил тот факт, что фреза тупится со временем и утрачивает свои режущие свойства. Вот было бы здорово, если бы медь с поверхности текстолита можно было удалять бесконтактным способом.

Уже существуют лазерные станки немецкого производителя LPKF, в которых фольга просто испаряется мощным полупроводниковым лазером инфракрасного диапазона. Станки отличаются точностью и скоростью обработки, но их цена ещё выше чем у фрезерных, а собрать из доступных всем материалов такую вещь и как-то её удешевить пока не представляется простой задачей.

Из всего вышесказанного я сформировал некоторые требования к желаемому устройству:

• Цена сопоставимая со стоимостью среднего домашнего 3д-принтера
• Бесконтактное удаление меди
• Возможность собрать устройство из доступных компонентов самостоятельно в домашних условиях

Так я начал размышлять о возможной альтернативе лазеру в области бесконтактного удаления меди с текстолита. И наткнулся на метод электроискровой обработки, который давно применяется в металлообработке для изготовления точных металлических деталей.

При таком методе металл удаляется электрическими разрядами, которые испаряют и разбрызгивают его с поверхности заготовки. Таким образом образуются кратеры, размер которых зависит от энергии разряда, его длительности и, конечно же, типа материала заготовки. В простейшем виде электрическую эрозию стали использовать в 40-х года XX века для пробивания отверстий в металлических деталях. В отличие от традиционной механической обработки отверстия можно было получить практически любой формы. В настоящее время данный метод активно применяется в металлообработке и породил целую серию видов станков.

Обязательной частью таких станков является генератор импульсов тока, система подачи и перемещения электрода — именно электрод (обычно медный, латунный или графитовый) является рабочим инструментом такого станка. Простейший генератор импульсов тока представляет собой простой конденсатор нужного номинала, подключенный к источнику постоянного напряжения через токоограничивающий резистор. При этом емкость и напряжение определяют энергию разряда, которая в свою очередь определяет размеры кратеров, а значит и чистоту обработки. Правда есть один существенный нюанс — напряжение на конденсаторе в рабочем режиме определяется напряжением пробоя. Последнее же практически линейно зависит от зазора между электродом и заготовкой.

За вечер был изготовлен прототип эрозионного инструмента, представляющий собой соленоид, к якорю которого прикреплена медная проволочка. Соленоид обеспечивал вибрацию проволоки и прерывание контакта. В качестве источника питания был использован ЛАТР: выпрямленный ток заряжал конденсатор, а переменный питал соленоид. Эта конструкция была также закреплена в держателе ручки плоттера. В целом, результат оправдал ожидания, и головка оставляла на фольге сплошные полосы со рваными краями.

Способ явно имел право на жизнь, но требовалось решить одну задачу — компенсировать расход проволоки, которая расходуется при работе. Для этого требовалось создать механизм подачи и блок управления для него.

После этого, всё свободное время я начал проводить в одном из хакспейсов нашего города, где есть станки для металлообработки. Начались продолжительные попытки сделать приемлемое режущее устройство. Эрозионная головка состояла из пары шток-втулка, обеспечивающих вертикальную вибрацию, возвратной пружины и протяжного механизма. Для управления соленоидом потребовалось изготовить несложную схему состоящую из генератора импульса заданной длины на NE555, MOSFET-транзистора и индуктивного датчика тока. Первоначально предполагалось использовать режим автоколебаний, то есть подавать импульс на ключ сразу после импульса тока. При этом частота колебаний зависит от величины зазора и управление приводом производится согласно измерению периода автоколебаний. Однако стабильный автоколебательный режим оказался возможен в диапазоне амплитуд колебания головки, который составлял меньше половины максимального. Поэтому я принял решение использовать фиксированную частоту колебаний, генерируемых аппаратным ШИМом. При этом о состоянии зазора между проволокой и платой можно судить по времени между окончанием открывающего импульса и первым импульсом тока. Для большей стабильности при работе и улучшении частотных характеристик соленоид был закреплен над механизмом протяжки проволоки, а якорь размещен на дюралевой скобе. После этих доработок удалось добиться устойчивой работы на частотах до 35 Гц.

Закрепив режущую головку на плоттере, я начал опыты по прорезанию изолирующих дорожек на печатных платах. Первый результат достигнут и головка более-менее устойчиво обеспечивает непрерывный рез. Вот видео, демонстрирующее что получилось:

Принципиальная возможность изготавливать платы при помощи электроискровой обработки подтверждена. В ближайших планах повысить точность, увеличить скорость обработки и чистоту реза, а также выложить часть наработок в открытый доступ. Также планирую адаптировать модуль под использование с RepRap. Буду рад идеям и замечаниям в комментариях.