Робимо настільний пристрій для виготовлення друкованих плат в один клік

    В черговий раз відмиваючи раковину від рудих плям хлорного заліза, після травлення плати, я подумав, що настав час автоматизувати цей процес. Так я почав робити пристрій для виготовлення плат, яке вже зараз можна використовувати для створення найпростішої електроніки.
 
 image
 
Нижче я розповім про те, як робив цей девайс.
 
Базовий процес виготовлення друкованої плати субтрактивним методом полягає в тому, що на фольгованим матеріалі видаляються непотрібні ділянки фольги.
 
Сьогодні більшість електронників використовують технології типу лазерно-прасувальну для домашнього виробництва плат. Цей метод передбачає видалення непотрібних ділянок фольги з використанням хімічного розчину, який роз'їдає фольгу в непотрібних місцях. Перші експерименти з лутом кілька років тому показали мені, що в цій технології повно дрібниць, часом геть заважають досягненню прийнятного результату. Тут і підготовка поверхні плати, і вибір паперу або іншого матеріалу для друку, і температура в сукупності з часом нагріву, а також особливості змивки залишків глянцевого шару. Також доводиться працювати з хімією, а це не завжди зручно і корисно в домашніх умовах.
 
Мені хотілося поставити на стіл деякий пристрій, в який як в принтер можна відправити ісходник плати, натиснути кнопку і через якийсь час отримати готову плату.
 
Трохи погуглити можна дізнатися, що люди, починаючи з 70х років минулого століття, почали розробляти настільні пристрої для виготовлення друкованих плат. Насамперед з'явилися фрезерні верстати для друкованих плат, які вирізали доріжки на фольгованим текстоліті спеціальною фрезою. Суть технології полягає в тому, що на високих оборотах фреза, закріплена на жорсткому і точному координатному столі з ЧПУ зрізає шар фольги в потрібних місцях.
 
  
Бажання негайно купити спеціалізований верстат пройшло після вивчення цін від постачальника. Викладати такі гроші за влаштування я, як і більшість хоббійщіков, не готовий. Тому вирішено було зробити верстат самостійно.
 
Зрозуміло, що пристрій повинен складатися з координатного столу, що переміщує ріжучий інструмент в потрібну точку і самого ріжучого пристрою.
 
В інтернеті достатньо прикладів того, як зробити координатний стіл на будь-який смак. Наприклад ті ж RepRap справляються з цим завданням (з поправками на точність).
 
З одного з моїх попередніх хобі-проектів по створенню плоттера у мене залишився саморобний координатний стіл. Тому основне завдання полягала у створенні ріжучого інструменту.
 
 
 
Цілком логічним кроком могло стати оснащення плоттера мініатюрним гравером начебто Dremel. Але проблема в тому, що плоттер, який можна дешево зібрати в домашніх умовах складно зробити з необхідною жорсткістю, паралельністю його площини до площини текстоліту (при цьому навіть текстоліт сам по собі може бути зігнутим). У підсумку вирізати на ньому плати більш менш хорошої якості не представлялося б можливим. До того ж не на користь використання фрезерної обробки говорив той факт, що фреза тупітся з часом і втрачає свої ріжучі властивості. От було б здорово, якби мідь з поверхні текстоліту можна було видаляти безконтактним способом.
 
Вже існують лазерні верстати німецького виробника LPKF, в яких фольга просто випаровується потужним напівпровідниковим лазером інфрачервоного діапазону. Верстати відрізняються точністю і швидкістю обробки, але їх ціна ще вища ніж у фрезерних, а зібрати з доступних всім матеріалів таку річ і якось її здешевити поки не представляється простим завданням.
 
З усього вищесказаного я сформував деякі вимоги до бажаного пристрою:
 
 
     
  • Ціна порівнянна з вартістю середнього домашнього 3д-принтера
  •  
  • Безконтактний видалення міді
  •  
  • Можливість зібрати пристрій з доступних компонентів самостійно в домашніх умовах
  •  
 
Так я почав роздумувати про можливу альтернативу лазеру в області безконтактного видалення міді з текстоліту. І наткнувся на метод електроіскровий обробки , який давно застосовується в металообробці для виготовлення точних металевих деталей.
 
При такому методі метал видаляється електричними розрядами, які випаровують і розбризкують його з поверхні заготовки. Таким чином утворюються кратери, розмір яких залежить від енергії розряду, його тривалості і, звичайно ж, типу матеріалу заготовки. У найпростішому вигляді електричну ерозію стали використовувати в 40-х року XX століття для пробивання отворів у металевих деталях. На відміну від традиційної механічної обробки отвори можна було отримати практично будь-якої форми. В даний час даний метод активно застосовується в металообробці і породив цілу серію видів верстатів.
 
Обов'язковою частиною таких верстатів є генератор імпульсів струму, система подачі і переміщення електрода — саме електрод (зазвичай мідний, латунний або графітовий) є робочим інструментом такого верстата. Найпростіший генератор імпульсів струму являє собою простий конденсатор потрібного номіналу, підключений до джерела постійної напруги через струмообмежуючі резистор. При цьому ємність і напруга визначають енергію розряду, яка в свою чергу визначає розміри кратерів, а значить і чистоту обробки. Правда є один істотний нюанс — напруга на конденсаторі в робочому режимі визначається напругою пробою. Останнє ж практично лінійно залежить від зазору між електродом і заготівлею.
 
За вечір був виготовлений прототип ерозійного інструменту, що представляє собою соленоїд, до якоря якого прикріплена мідна зволікання. Соленоїд забезпечував вібрацію дроту і переривання контакту. Як джерело живлення був використаний ЛАТР: випрямлений струм заряджав конденсатор, а змінний живив соленоїд. Ця конструкція була також закріплена в тримачі ручки плоттера. В цілому, результат виправдав очікування, і головка залишала на фользі суцільні смуги зі рваними краями.
 
 
 
 
Спосіб явно мав право на життя, але було потрібно вирішити одну задачу — компенсувати витрата дроту, яка витрачається при роботі. Для цього було потрібно створити механізм подачі і блок управління для нього.
 
Після цього, весь вільний час я почав проводити в одному з хакспейсов нашого міста, де є верстати для металообробки. Почалися тривалі спроби зробити прийнятне ріжуче пристрій. Ерозійна головка складалася з пари шток-втулка, що забезпечують вертикальну вібрацію, поворотної пружини і протяжного механізму. Для управління соленоидом потурбувалися виготовити нескладну схему складається з генератора імпульсу заданої довжини на NE555, MOSFET-транзистора і індуктивного датчика струму. Спочатку передбачалося використовувати режим автоколивань, тобто подавати імпульс на ключ відразу після імпульсу струму. При цьому частота коливань залежить від величини зазору і керування приводом проводиться згідно вимірюванню періоду автоколивань. Однак стабільний автоколивальний режим виявився можливий в діапазоні амплітуд коливання головки, який становив менше половини максимального. Тому я прийняв рішення використовувати фіксовану частоту коливань, що генеруються апаратним Шимом. При цьому про стан зазору між дротом і платою можна судити за часом між закінченням відкриває імпульсу і першим імпульсом струму. Для більшої стабільності при роботі і поліпшенні частотних характеристик соленоїд був закріплений над механізмом протягання дроту, а якір розміщений на дюралевій скобі. Після цих доробок вдалося домогтися стійкої роботи на частотах до 35 Гц.
 
 
 
Закріпивши ріжучу головку на плоттері, я почав досліди по прорізання ізолюючих доріжок на друкованих платах. Перший результат досягнутий і головка більш-менш стійко забезпечує безперервний рез. Ось відео, яке демонструє що вийшло:
 
  
Принципова можливість виготовляти плати за допомогою електроіскровий обробки підтверджена. У найближчих планах підвищити точність, збільшити швидкість обробки і чистоту різу, а також викласти частину напрацювань у відкритий доступ. Також планую адаптувати модуль під використання з RepRap. Буду радий ідеям та зауваженням в коментарях.
    
Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.