Фрезеровка печатных плат в домашних условиях / Хабр

Я не люблю травить печатные платы. Ну не нравится мне сам процесс возни с хлорным железом. Там напечатай, тут проутюжь, здесь фоторезист проэкспонируй — целая история каждый раз. А потом еще думай, куда бы слить хлорное железо. Я не спорю, это доступный и простой метод, но лично я его стараюсь избегать. А тут случилось у меня счастье: достроил я фрезер с ЧПУ. Тут же появилась мысль: а не попробовать ли фрезеровать печатные платы. Сказано — сделано. Рисую простенький переходник c завалявшегося esp-wroom-02 и начинаю свой экскурс во фрезеровку печатных плат. Дорожки специально сделал мелкими — 0,5 мм. Ибо если такие не выйдут — то и ну нафиг эту технологию.

Тут нужно маленькое отступление. Есть несколько путей, как из cad’а получить набор gcode’ов для фрезеровки печатной платы. На мой взгляд, они расходятся в зависимости от того, какой САПР вы пользуетесь. Если вы любитель Eagle — то под него существуют специализированные и хорошо интегрированные решения: PCB-GCode, возможность напрямую открывать BRD-файлы в chilipeppr. К сожалению, не так давно Autodesk поменяла политику лицензирования орла, и теперь он уже не так сильно нравится сообществу (можно посмотреть мнение одного видного представителя сообщества).

Так как лично я делаю печатные платы раз в пять лет по большим праздникам — мне для проектирования вполне хватает KiCAD. Для него специализированных удобных решений я не нашел, но есть более универсальный путь — с использованием gerber-файлов. В этом случае все относительно просто: берем pcb, экспортируем нужный слой в gerber (никаких зеркалирований и прочей магии!), запускаем pcb2gcode — и получаем готовый nc-файл, который можно отдать фрезеру. Как всегда, реальность — злая зараза и все оказывается несколько сложнее.

Получение gcode из gerber-файлов

Итак, как получить gerber-файл, я особенно описывать не планирую, я думаю, это все умеют. Дальше нужно запустить pcb2gcode. Оказывается, он требует примерно миллион параметров командной строки, чтобы выдать что-то приемлемое. В принципе, документация у него неплохая, я ее осилил и понял, как получить какой-то gcode даже так, но все же хотелось казуальности. Потому был найден pcb2gcode GUI. Это, как подсказывает название, GUI для настройки основных параметров pcb2gcode галочками, да еще и с предпросмотром.

Собственно, на этом этапе получен какой-то гкод и можно пробовать фрезеровать. Но пока я тыкал в галочки, выяснилось, что дефолтное значение заглубления, которое предлагает этот софт, — 0,05 мм. Соответственно, плата должна быть установлена во фрезере как минимум с точностью выше этой. Я не знаю, у кого как, но у меня рабочий стол у фрезера заметно более кривой. Самое простое решение, что пришло в голову, — поставить на стол жертвенную фанерку, отфрезеровать в ней карман под размеры плат — и она окажется идеально в плоскости фрезера.

Для тех, кто уже хорошо владеет фрезером, эта часть неинтересна. После пары экспериментов я выяснил, что фрезеровать карман обязательно нужно в одном направлении (например, подачей на зуб) и с захлестом хотя бы процентов на тридцать. Fusion 360 мне предложил сначала слишком маленький захлест и ездил туда-сюда. В моем случае результат получился неудовлетворительный.

Учет кривости текстолита

Выровняв площадку, я поклеил на нее двустороннего скотча, положил текстолит и запустил фрезеровку. Вот результат:

Как видно, с одного края платы фреза практически не задевает медь, с другого — слишком углубилась в плату, при фрезеровке пошли крошки текстолита. Посмотрев внимательно на саму плату, я заметил, что она изначально неровная: слегка выгнутая, и, как ты с ней ни мучайся, какие-то отклонения по высоте будут. Потом, кстати, я посмотрел и выяснил, что для печатных плат толщиной более 0,8 мм допуск ±8 % считается нормальным.

Первый вариант борьбы, приходящий в голову, — автокалибровка. По логике вещей — чего уж проще, плата омедненная, фреза стальная, приделал один проводок к меди, другой к фрезе — вот тебе готовый щуп. Бери да строй поверхность.

Мой станок управляется grbl’ом на дешевом китайском шилде. У grbl есть поддержка щупа на пине A5, но вот специального разъема на моей плате почему-то не выведено. Внимательно рассмотрев ее, я все же обнаружил, что пин A5 выведен на разъем SPI порта (подписанный как SCL), земля там тоже рядом есть. С этим «датчиком» одна хитрость — провода нужно переплести между собой. Во фрезере крайне до фига наводок, и без этого датчик будет постоянно давать ложные срабатывания. Даже после переплетения продолжит, но сильно-сильно реже.

Итак, датчик собран, тестером проверен, дальше важный вопрос — как проверить в grbl, что все в порядке и я не сломаю единственный гравер. Немного гугления показало, что ему нужно отправить команду G38.2 Z-10 F5.

Команда говорит: начинай спускаться вниз вплоть до –10 по Z (абсолютная это или относительная высота — зависит от режима, в котором сейчас прошивка). Спускаться будет очень медленно — со скоростью 5 мм/мин. Это вызвано тем, что сами разработчики не гарантируют, что спуск остановится ровно в момент срабатывания датчика, а не чуть позже. Поэтому лучше спускаться медленно, чтобы все остановилось вовремя и не успело уйти в плату по самое не балуйся. Лучше всего первый тест проводить, подняв голову на высоту сильно больше 10 мм и сбросив систему координат. В таком случае, даже если все не сработает и вы не успеете дотянуться до кнопки E-Stop’а, фреза не будет запорота. Можно провести два теста: первый — ничего не делать (и по достижении –10 grbl выдаст «Alarm: Probe Fail»), второй — пока оно едет вниз, чем-нибудь замкнуть цепь и убедиться, что все остановилось.

Дальше надо найти метод, как, собственно, промерить матрицу и исказить gcode как нужно. На первый взгляд, у pcb2gcode’а есть какая-то поддержка autoleveling’а, но поддержки именно grbl’а нет. Там есть возможность задать команды запуска пробы руками, но с этим надо разбираться, а мне, честно говоря, было лень. Пытливый ум мог бы заметить, что у LinuxCNC команда запуска пробы совпадает с командой grbl. Но дальше идет непоправимое различие: все «взрослые» интерпретаторы gcode’а сохраняют результат выполненной пробы в машинную переменную, а grbl просто выводит в порт значение.

Легкое гугление подсказало, что есть еще довольно много разных вариантов, но мне на глаза попался проект chillpeppr:

Это система из двух компонентов, предназначенная для игры с железом из вебни. Первый компонент — Serial JSON Server, написанный на go, запускается на машине, подключенной непосредственно к железке, и умеет отдавать управление последовательным портом по вебсокетам. Второй — работает у вас в браузере. У них есть целый фреймворк для построения виджетов с каким-то функционалом, которые потом можно засовывать на страничку. В частности, у них уже есть готовый workspace (набор виджетов) для grbl и tinyg.

И у chillpeppr’а есть поддержка autoleveling’а. Да еще и с виду он сильно удобнее UniversalGcodeSender’а, которым я пользовался до этого. Ставлю сервер, запускаю браузерную часть, трачу полчаса на то, чтобы разобраться с интерфейсом, загружаю туда gcode своей платы и вижу какую-то фигню:

Посмотрев в сам gcode, который генерирует pcb2gcode, вижу, что он использует нотацию, когда на последующих строках не повторяется команда (G1), а даются только новые координаты:

G00 X1. 84843 Y34.97110 ( rapid move to begin. )
F100.00000
G01 Z-0.12000
G04 P0 ( dwell for no time -- G64 should not smooth over this point )
F200.00000
X1.84843 Y34.97110
X2.64622 Y34.17332
X2.69481 Y34.11185
X2.73962 Y34.00364
X2.74876 Y31.85178
X3.01828 Y31.84988
X3.06946 Y31.82249
X3.09684 Y31.77131

Судя по тому, что chilipeppr показывает только вертикальные движения, он видит строку G01 Z-0.12 здесь, но не понимает все, что идет после F200. Нужно переделывать на explict нотацию. Конечно, можно руками поработать или напилить какой-нибудь post-processing скрипт. Но никто еще не отменил G-Code Ripper, который среди прочего умеет бить сложные команды gcode’а (типа тех же дуг) на более простые. Он же, кстати, тоже умеет по матрице autoprobe’а искривлять gcode, но встроенной поддержки grbl’а опять нет. Зато можно сделать тот самый split. Мне вполне подошли стандартные настройки (разве что в конфиге пришлось заранее поменять единицы измерения на mm). Результирующий файл начал нормально отображаться в chilipeppr:

Дальше запускаем autoprobe, не забыв указать расстояние, с которого опускать пробу, и ее глубину. В моем случае я указывал, что надо опускать с 1 до –2 мм. Нижняя граница не так важна, ее можно поставить хоть –10, но я бы не советовал: пару раз неудачно выставил начальную точку, с который надо запускать пробу, и крайние точки оказывались за пределами платы. Если заглубление больше — можно и гравер сломать. А так просто ошибка. От уровня верхней границы напрямую зависит то, как долго он будет промерять поверхность. В моем случае реально плата почти никогда не уходила за пределы 0,25 мм вверх или вниз, но 1 мм как-то надежнее. Жмем заветную run и бежим к фрезеру медитировать:

А в интерфейсе chilipeppr появляется потихоньку промеренная поверхность:

Здесь надо обратить внимание, что все значения по Z умножены на 50, дабы лучше визуализировать получившуюся поверхность. Это настраиваемый параметр, но 10 и 50 хорошо работают, на мой взгляд. Я достаточно часто сталкиваюсь с тем, что какая-то одна точка оказывается сильно выше, чем можно от нее ожидать. Лично я связываю это с тем, что датчик ловит-таки наводки и дает ложное срабатывание. Благо chilipeppr позволяет выгрузить карту высот в виде json’ки, ее можно руками после этого поправить, а потом руками же загрузить. Дальше жмем кнопку «Send Auto-Leveled GCode to Workspace» — и в перце уже загружен поправленный гкод:

N40 G1 X 2.6948 Y 34.1118 Z0.1047 (al new z)    
N41 G1 X 2.7396 Y 34.0036 Z0.1057 (al new z)    
N42 G1 X 2.7488 Y 31.8518 Z0.1077 (al new z)    
N43 G1 X 3.0183 Y 31.8499 Z0.1127 (al new z)    
N44 G1 X 3.0695 Y 31.8225 Z0.1137 (al new z)    
N45 G1 X 3.0968 Y 31.7713 Z0.1142 (al new z)

В код добавлены перемещения по Z, которые должны компенсировать неровность поверхности.

Выбор параметров фрезеровки

Запускаю фрезеровку, получаю вот такой результат:

Тут видно сразу три момента:

1. Проблема с неровностью поверхности ушла: прорезано (точнее, процарапано) все практически на одну глубину, нигде нет пропусков, нигде не заглубился слишком сильно.
2. Заглубление недостаточное: 0,05 мм явно не хватает для этой фольги. Платы, кстати, какой-то неизвестный зверь с AliExpress, толщину меди там не указали. Слой меди бывает разный, наиболее распространенные — от 18 до 140 мкм (0,018—0,14 мм).
3. Явно видны биения гравера.

Про заглубление. Подобрать то, насколько глубоко надо опускать гравер, несложно. Но есть специфика. Конический гравер имеет в проекции форму треугольника. С одной стороны, угол сведения к рабочей точке определяет, насколько инструмент тяжело сломать и как долго он проживет, а с другой — чем больше угол, тем шире будет рез при заданном заглублении.

Формула расчета ширины реза при заданном заглублении выглядит так (нескромно взята с reprap.org и исправлена):

2 * penetration depth * tangens (tool tip angle) + tip width

Считаем по ней: для гравера с углом 10 градусов и точкой контакта 0,1 мм при заглублении 0,1 мм мы получаем ширину реза почти 0,15 мм. Исходя из этого, кстати, можно прикинуть, какое минимальное расстояние между дорожками сделает выбранный гравер на фольге выбранной толщины. Ну и еще, даже если вам не надо очень маленьких расстояний между дорожками, слишком глубоко фрезу опускать все равно не стоит, так как стеклотекстолит очень сильно тупит фрезы даже из твердых сплавов.

Ну и тут есть еще смешной момент. Допустим, у нас есть две дорожки, отстоящие друг от друга на 0,5 мм. Когда мы прогоним pcb2gcode, он посмотрит на значение параметра Toolpath offset (насколько отступать от дорожки при фрезеровке) и фактически сделает между дорожками два прохода, отстоящие друг от друга на (0,5 – 2 * toolpath_offset) мм, между ними останется (а скорее всего, сорвется) какой-то кусочек меди, и будет это некрасиво. Если же сделать toolpath_offset большим, чем расстояние между дорожками, то pcb2gcode выдаст warning, но сгенерирует только одну линию между дорожками. В общем случае для моих применений это поведение более предпочтительно, так как дорожки получаются шире, фреза режет меньше — красота. Правда, может возникнуть проблема с smd-компонентами, но маловероятно.

Есть выраженный случай такого поведения: если задать очень большой toolpath_offset, то мы получим печатную плату в виду диаграммы Вороного. Как минимум — это красиво 😉 На эффект можно посмотреть на первом скриншоте из pcb2gcode, что я давал. Там показано, как она будет выглядеть.

Теперь про биения гравера. Это я их зря так называю. Шпиндель у меня неплохой вроде и так сильно, конечно, не бьет. Тут скорее кончик гравера при перемещении изгибается и прыгает между точками, давая вот ту странную картину с точечками. Первая и основная мысль — фреза не успевает прорезать и потому перепрыгивает. Легкое гугление показало, что народ фрезерует печатные платы шпинделем на 50к оборотов со скоростью примерно в 1000 мм/мин. У меня шпиндель дает 10к без нагрузки, и можно предположить, что резать надо со скоростью 200 мм/мин.

Результаты и вывод

Учтя все это, промеряю новый кусок текстолита, запускаю фрезеровку и получаю вот такой результат:

Верхняя ровно так, как вышла из фрезера, нижняя — после того как провел по ней обычным точильным камнем пару раз. Как видно, в трех местах дорожки не прорезались. В целом по всей плате ширина дорожек плавает. С этим еще надо разбираться, но у меня есть предположение, в чем причина. Сначала я крепил плату на двусторонний скотч, и она достаточно часто отходила. Потом в паре мест прихватил еще краями головок саморезов. Вроде держаться стала лучше, но все равно немного играет. Подозреваю, что в момент фрезеровки она прижимается к площадке и из-за этого, собственно, не прорезается.

В общем, перспективы у этого всего есть. Когда процесс отработан, построение матрицы высот занимает минут пять-семь, потом непосредственно фрезеровка — пару минут. Вроде можно экспериментировать дальше. Зато можно потом сверловку делать на том же станке. Еще прикупить заклепок, и будет счастье! Если тема интересна, то могу написать еще одну статью про сверловку, двусторонние платы и пр.

Печатные платы на ЧПУ: гравировка на фрезерном станке

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?

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 Mach4. 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 Mach4 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.

• 30 ноября 2020
• 1556

Получите консультацию специалиста

Фрезерный станок для печатных плат

Prometheus — Zippy Robotics, Inc

Prometheus позволяет вам делать печатные платы на вашем столе. Поддерживаются верхний и нижний слои, просверленные отверстия и обрезки кромок.

ЗАКАЗАТЬ сейчас

Закажите станок для изготовления печатных плат Prometheus сейчас, чтобы занять место в очереди

*Обратите внимание, что если вы заказываете из-за пределов США, вы будете импортировать нашу продукцию и будете нести ответственность за любые таможенные пошлины/налоги/сборы, связанные с импортом нашей продукции. товары в вашу страну. Вы несете ответственность за информирование себя о том, что это может быть. Мы не несем ответственности за любые дополнительные расходы.

Серийная версия нашего фрезерного станка для печатных плат Prometheus.

Способность создавать вещи — это сила

.

Эта возможность есть у каждого. Мы хотим усилить ее с помощью Prometheus — настольного фрезерного станка для печатных плат, который позволит вам изготавливать печатные платы прямо на рабочем столе за считанные минуты. Вам больше не придется ждать, пока ваша плата будет доставлена ​​вам из службы производства печатных плат.

ProCAM — демонстрация импорта Gerber из Circuit Maker

В этом видео мы покажем вам, как взять проект, созданный в Altium’s Circuit Maker, и создать печатную плату с помощью Prometheus.

Почему мы?

Мы считаем, что с Prometheus вы получите больше производительности на доллар, чем с любым из наших конкурентов. Наши особенности отличают Prometheus. Машины с аналогичными характеристиками стоят на тысячи долларов дороже. Наше соотношение цены и качества составило специально разработанных , как и остальные наши характеристики.

Мы также активно изучаем поддержку гибких материалов, поддержку паяльной маски и другие материалы помимо FR-4. С Zippy Robotics вы можете быть уверены, что мы никогда не перестанем внедрять инновации . Мы никогда не согласимся на «достаточно хорошо».

Отслеживание поверхности

Prometheus быстро исследует поверхность доски перед фрезерованием, создает карту поверхности и использует ее для поддержания одинаковой глубины резки по всей поверхности доски.

Программная калибровка выравнивания

Функция калибровки ProCAM гарантирует, что квадраты получаются квадратными. Нежелательный сдвиг, вращение и перемещение между слоями печатной платы исключены, даже если оси не идеально перпендикулярны. Никогда больше не беспокойтесь о прямой регистрации.

Поддержка мелкого шага

Имея дорожку 4 мил/пространство 5 мил, Prometheus может поддерживать практически любые компоненты для поверхностного монтажа.

Высокоскоростной шпиндель

50 000 об/мин позволяет сверлам малого диаметра резать с высокой скоростью подачи.

Низкое биение

Наш шпиндель имеет статическое биение менее 0,0001 дюйма (2,5 микрона), поэтому вы можете работать с крошечными концевыми фрезами и иметь более длительный срок службы.

Как это работает
Prometheus — фрезерный станок для печатных плат. Он работает путем фрезерования (или вырезания/гравировки) вашей схемы на стандартной плате с медным покрытием. Сверла, используемые во фрезерных станках, называются «концевыми фрезами», и хотя они могут быть похожи на сверла, между ними есть важное отличие: сверла предназначены для резки только с их острия, в то время как концевые фрезы могут резать и сбоку. Это позволяет фрезерному станку не только сверлить отверстия, но и вырезать предметы. В случае Прометея, вы можете фрезеровать свою схему, просверливать отверстия и даже вырезать форму самой платы (возможно, вам нужна круглая печатная плата или какая-то другая нестандартная форма, например).

Prometheus специально создан для изготовления печатных плат. Требования и спецификации, необходимые для вырезания мелких деталей, необходимых для современных печатных плат, сильно отличаются от стандартных фрезерных или фрезерных станков с ЧПУ, которые обычно используются для вырезания дерева или металла. Когда мы вырезаем элементы размером всего в несколько тысячных дюйма, единственной наиболее важной характеристикой является биение шпинделя или TIR (общее указанное биение). Это то, что вы редко встретите в кавычках для недорогих станков с ЧПУ общего назначения, но малое биение имеет решающее значение, когда речь идет о микрофрезеровании. Биение описывает, насколько сильно качается бита при вращении вокруг оси вращения. Слишком большое биение приведет к немедленной поломке маленьких концевых фрез. Вот почему шпиндели любительского уровня и ручные вращающиеся инструменты не подходят для точной работы с печатными платами. Мы могли бы купить готовый шпиндель с подходящими характеристиками для включения в Prometheus, но нам пришлось бы потратить более 1000 долларов только на шпиндель! Вероятно, это основная причина, по которой другие профессиональные заводы по производству печатных плат стоят более 8000 долларов. Мы решили эту проблему, спроектировав собственный недорогой шпиндель с малым биением, чтобы мы могли поставить профессиональный станок за небольшую часть стоимости.

Программное обеспечение ProCAM (Prometheus Computer-Aided Manufacturing)
ProCAM — это программное обеспечение CAM, разработанное специально для Prometheus. Он позволяет импортировать стандартные файлы Gerber, которые вы создаете с помощью вашего любимого инструмента проектирования печатных плат, а затем генерирует пути инструментов и используется для управления фрезерным станком Prometheus для печатных плат. ProCAM позволяет импортировать верхний слой, нижний слой (дополнительно), просверленные отверстия (дополнительно) и слой обрезки кромок (дополнительно). Последняя версия ProCAM позволяет выполнять контурное фрезерование. То есть он обводит один или несколько контуров вокруг каждой медной цепи, чтобы изолировать ее от остальной части платы. Это создает электрически правильную цепь. Однако в настоящее время мы работаем над добавлением в ProCAM опции полного удаления меди, чтобы она удаляла вся медь , которой нет в файлах Gerber.

Технические характеристики

Скорость вращения шпинделя: 50 000 об/мин
Макс. скорость X/Y: Более 3800 мм/мин (150 дюймов/мин) подшипник (статический)
Тип биты: Для нашего шпинделя требуются наши нестандартные биты Zippy Robotics,  Максимальный диаметр хвостовика 0,1248 дюйма . Мы предлагаем соответствующие биты.
Максимальный размер печатной платы:  6 дюймов x 4 дюйма или европейский размер 160 мм x 100 мм
Тип печатной платы: FR-4, FR-1, Rogers 4350 (другие ламинаты Rogers проходят испытания). Односторонняя или двусторонняя
Минимальный размер дорожки/промежутка: 4 мил дорожки/5 мл промежутков (1 мил = 0,001 дюйма = 0,0254 мм, 5 мил = 0,127 мм)
Максимальный размер просверленного отверстия: 0,125 дюйма (3,175 мм)
Разрешение X и Y: 0,000156 дюйма (4 микрона)
Z разрешение: 0,000049 дюйма (1,25 микрона)
Контроллер двигателя: Пользовательский контроллер ZippyTalk на базе Atmel ARM
Вес: 30 фунтов.
Занимаемая площадь: 14 x 15,8 дюймов
Входное напряжение: Универсальный источник питания, 100–240 В переменного тока
Возможности подключения: USB Plug-and-Play
Системные требования: Windows 7 или более поздней версии. Планируется поддержка Mac и Linux
Обратите внимание, что это текущие спецификации, но они могут измениться, если будут внесены дополнительные изменения до того, как мы начнем поставки.

Основы фрезерных станков для печатных плат

Специализированные станки, предназначенные для прототипирования печатных плат, могут значительно ускорить разработку.

Леланд Тешлер • Ответственный редактор
Изучите онлайн-колонки с советами для инженеров, и вы часто будете видеть сообщения, пропагандирующие инвестиции в фрезерный станок, специально предназначенный для производства прототипов печатных плат. Инженеры, использующие эти машины, указывают на их преимущества, в том числе на резкое ускорение их способности повторять проекты печатных плат. Обычный подход заключается в том, чтобы заказать бесплатные образцы подложек у поставщиков печатных плат, а затем изготовить грубый прототип печатной платы, который затем заполняется и тестируется. Часто наличие завода по производству печатных плат позволяет инженерам изготавливать и тестировать несколько конструкций в течение дня.

Основная функция фрезерных станков для печатных плат заключается в выборочном фрезеровании медного слоя на подложке печатной платы для формирования дорожек и других проводящих участков на поверхности платы. Некоторые из этих специализированных машин также могут формировать переходные отверстия.

Конечно, существуют ограничения на то, что можно сделать с печатной платой, изготовленной на фрезерном станке. Основное ограничение заключается в том, что на простых станках возможны только двухслойные платы. Создание паяльной маски также проблематично.

Кроме того, фрезерные станки, достаточно хорошие для производства печатных плат, могут быть дорогими. Нижний предел ценового диапазона для этих машин составляет около 4000 долларов, но более сложное оборудование, способное делать переходные отверстия, может стоить в диапазоне 25000 долларов. Даже более сложные лазерные машины достигают шестизначной суммы. Эти устройства используют лазеры для удаления материала и, таким образом, имеют некоторые преимущества по сравнению с механическим фрезерованием, которые включают более высокую точность и отсутствие износа сверл.

Кроме того, аддитивные подходы к ПХБ становятся все более практичными. Эти машины для быстрого прототипирования могут стать недорогой альтернативой печатным станкам для плат, состоящих всего из нескольких слоев. Но есть также несколько высокопроизводительных аддитивных машин, которые, как говорят, обрабатывают сложные схемы с большим количеством слоев, а также электромеханические детали.

Базовые мельницы

Фрезерный станок Prometheus от Zippy Robotics.

Одним из станков по производству печатных плат в бюджетной категории является Prometheus от Zippy Robotics Inc. в Нортпорте, штат Нью-Йорк. Станок стоимостью 3000 долларов имеет шпиндель, который работает со скоростью 50 000 об/мин и имеет биение менее 2,5 микрон. В нем указана точность 0,15625 мил (4 микрона) по осям X и Y и всего 1,25 микрона по оси Z. Его максимальная скорость подачи составляет 3800 мм/мин, а станок включает отслеживание поверхности, что, как утверждается, обеспечивает стабильные результаты по глубине резания.

Завод поставляется с программным обеспечением управления под названием ProCAM, которое берет стандартные файлы чертежей Gerber и использует их для построения чертежей размером до 6×4 дюймов. особенности платы. Зиппи говорит, что машина может создавать дорожки размером 4 мил/5 мл с многочисленными корпусами микросхем для поверхностного монтажа и изготавливать двухстороннюю плату с просверленными отверстиями примерно за час.

Следует отметить, что в 30-фунтовом Prometheus используются специальные биты, доступные только у Zippy. Компания заявляет, что типичные серийные биты будут немного больше максимально допустимого диаметра хвостовика и не будут входить в шпиндель. Также следует отметить отсутствие механизма автоматической смены инструмента.

Компания Bantam Tools в Пикскилле, штат Нью-Йорк, когда-то производила настольный фрезерный станок

Фрезерный станок с ЧПУ Bantam. Предыдущая версия обрабатывала исключительно работу с печатными платами. Он также может фрезеровать пластик, алюминий и подобные мягкие металлы.

станок, оптимизированный для использования с печатными платами. Это устройство было заменено более универсальным инструментом, называемым настольным фрезерным станком с ЧПУ, который также может обрабатывать алюминиевые и пластиковые детали. Вся машина весит 70 фунтов. Она имеет рабочую зону 7 x 9 x 3,5 дюйма и выполняет разрезы с повторяемостью ±1 мил. Двигатель шпинделя представляет собой агрегат мощностью 0,25 л.с., который вращается до 25 000 об/мин. Эта машина явно предназначена для создания прототипов, поскольку процесс смены инструмента строго ручной.

Станок с ЧПУ Bantam стоит около 4000 долларов. Bantam производит пакет программного обеспечения для фрезерных станков, годовая подписка на который стоит 200 долларов. Bantam также предоставляет ряд специализированных режущих инструментов для станка, в том числе инструмент для гравировки печатных плат.

Станки с ЧПУ, подобные станкам Bantam, обладают универсальными возможностями, которые позволяют им создавать печатные платы, а также, возможно, корпуса, в которых будет размещаться печатная плата. Но станки компании LPKF Laser & Electronics N.A. в Туалатине, штат Орегон, оптимизированы для изготовления печатных плат. Компания, пожалуй, наиболее известна своими машинами серии ProtoMat. В линейке ProtoMat есть три модели, стоимость которых начинается от 9 долларов.800 и подняться примерно до 27 800 долларов.

Top, машина LPKF ProtoMat. внизу машина LPKF ProtoLaser.

Скорость двигателя шпинделя в этом диапазоне от 40 000 до 100 000 об/мин, а на двух станках используется автоматическая смена инструмента. Двигатели шпинделя с более высокой скоростью вращения обеспечивают более чистое качество фрезерной кромки с меньшим количеством заусенцев. Качество кромки особенно заметно при использовании концевых фрез меньшего размера и при фрезеровании более мягких подложек RF. Шпиндель ProtoMat E44 со скоростью вращения 40 000 об/мин обеспечивает минимальный размер дорожки размером 4 мил с интервалом 8 мил. Шпиндели со скоростью вращения 60 000 и 100 000 об/мин в системах ProtoMat S64 и S104 позволяют использовать дорожки толщиной 4 мила с интервалом 4 мила. .

На двух машинах также доступны камеры реперного выравнивания. Они вступают в игру при изготовлении двусторонних печатных плат, отмечая положение реперных меток на плате, чтобы структуры на обеих сторонах платы совпадали. Более дорогие модели также оснащены датчиком и программным обеспечением обратной связи по толщине меди для более точного контроля глубины реза, что очень удобно для приложений RF/MW.

Следует также отметить, что некоторые машины LPKF могут создавать многослойные печатные платы в сочетании с прессом для ламинирования и комплектом для нанесения покрытия через отверстия. Есть два уровня сложности комплектов для сквозных отверстий. В самом дешевом из них используется проводящий полимер, который вручную наносится на отверстия, просверленные в плате. Существует также специальная машина LPKF, которая применяет гальванические и химические процессы к отверстиям пластины в закрытой камере.

Станки линейки LPKF ProtoLaser явно предназначены для выполнения гораздо более сложных задач, чем грубое прототипирование. В них используются лазеры для операций резки и формовки, а их цена варьируется от 91 000 до 373 000 долларов. Лазерный луч удаляет медь рядом с будущими дорожками, не оставляя следов. Полученная структура имеет резко обрезанные края. Типичными областями применения являются точные, крутые боковые стенки или сверхбыстрая лазерная гравировка, резка и сверление.

Существует четыре модели протолазеров. Среди их особенностей — лазерные лучи с малым размером пятна, что позволяет вырезать каналы шириной до 15 мкм. Говорят, что такие прецизионные размеры особенно полезны для радиочастотных приложений, где часто используются полосковые линии.

Там, где менее дорогие машины могут работать достаточно хорошо для подложек печатных плат садового типа, лазерные машины могут работать с ламинированными подложками и керамикой на основе оксида алюминия, что позволяет изготавливать платы с мелким шагом. Модели ProtoLaser ST, S4, U4 или ProtoLaser R4 часто используются для обработки керамики, небольших следов и сверхбыстрого удаления металла, а также для лазерного травления некоторых гибких материалов (U4 и R4). Эти машины также позиционируются как обеспечивающие самые передовые возможности трассировки/пространства с нетронутой четкостью краев, доступной без использования химического травления.

Высококачественные лазерные станки LPKF включают в себя запатентованный процесс удаления штриховки и расслоения на больших участках истирания меди. Лазер разрезает область на тонкие полоски и отделяет полоски от органической подложки путем нагревания. Говорят, что этот метод значительно сокращает время обработки. для чувствительных подложек, создания следов шириной менее 1 мил (25 мкм), карманной гравировки и для работы с такими материалами, как стекло и тефлон, или тонкими гибкими подложками.

Другие особенности лазерных станков LPKF включают использование длины волны лазера, которая практически не затрагивает подложки, но при этом позволяет надежно обрабатывать медные поверхности с неоднородностями толщиной до 6 мкм. Эти машины также могут создавать микропереходы и отверстия в масках для пайки, резать и структурировать LTCC, обожженную керамику, подложки ITO/TCO и тонкие препреги.

Аддитивные машины

Аддитивные 3D-принтеры, которые могут работать с печатными платами, уже давно доступны. Среди главных преимуществ этого подхода — низкая стоимость 3D-принтера. Более того, 3D-принтеры потенциально могут изготавливать целые многослойные печатные платы с паяльными масками и изоляционными слоями. Некоторые принтеры также могут использоваться в качестве машин для установки компонентов на плату.

Одним из основных недостатков печатных плат, напечатанных на 3D-принтере, является то, что проводники состоят из проводящих чернил, а не из меди. Полученные дорожки и контактные площадки не обладают такой проводимостью, как обычная плата с медным покрытием — проводящие частицы составляют лишь около 10-20% (по весу) состава проводящих чернил для струйных принтеров. Более низкая проводимость может сделать нецелесообразным изготовление таких же узких дорожек, доступных на мельнице для печатных плат. Следы, нанесенные проводящими чернилами, также могут иметь небольшие отклонения по высоте, что может вызвать проблемы с импедансом в некоторых высокочастотных цепях.

Ботофабрика SV2.

Кроме того, процесс производства печатных плат на 3D-принтерах может потребовать значительного вмешательства человека-оператора. Рассмотрим BotFactory SV2, стоимость которого начинается примерно с 7500 долларов. Каждый раз, когда принтер завершает нанесение слоя, оператор-человек должен заменить печатающую головку для следующего слоя, как при переходе от печати проводников к печати изоляционного слоя. Перед хранением только что снятой печатающей головки оператор должен вытереть все остатки с сопел. При необходимости оператор также должен заполнить станцию ​​очистки изопропиловым спиртом. А изоляционные слои вручную протираются изопропиловым спиртом перед нанесением следующего слоя.

Некоторые 3D-принтеры не могут сами создавать токопроводящие сквозные отверстия. Обычная практика изготовления сквозных отверстий в этих случаях заключается в том, чтобы положить готовую доску на сверлильный станок и вручную просверлить отверстие, а затем добавить заклепку, которая вставляется на место с помощью заклепочного пресса.

Voltera V-One.

3D-принтеры все чаще включают в себя возможности захвата и размещения. SV2, например, также имеет головку захвата. Еще один 3D-принтер с возможностью самовывоза — это V-One от Voltera в Онтарио, Канада. Модель V-One за 4200 долларов также оснащена дрелью, которая не только

Машина Стрекоза от NanoDimension.

сверлит отверстия, но может выполнять фрезерование. Скорость вращения шпинделя 13 000 об/мин, биение 0,076 мм. Как и в принтерах BotFactory, проводящие сквозные отверстия обрабатываются заклепками.

Наконец, стоит отметить, что процесс 3D-печати печатных плат может быть быстрее, если принтер может одновременно использовать две печатающие головки, одну для проводников, а другую для диэлектриков. Именно такой подход используется в машинах высокого класса, таких как линейка Dragonfly от NanoDimension в Израиле. Они варьируются в цене от 50 000 долларов до шестизначной суммы.