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 изгото��ления 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 тех��ологии 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:
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.
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 тех��ологии 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.
