Сверлильный станок для печатных плат своими руками.
Четверть века я не делал печатных плат сам.
Лет в 25 я плавно отошел от радиолюбительства в сторону компьютеров, а там всё больше блочное и, самое главное, покупное строительство.
Тем не менее с паяльником и осциллографом я постоянно возился и навыков не растерял.
А вот хлам радиолюбительский за эти годы частично был выкинут, частично раздарен.
Вот и ручная колхозная сверлилка для печатных плат куда-то задевалась, не найти.
Интересно, что я прекрасно помню, как корпел неделями, разводя печатные платы, помню как рисовал дорожки рейсфедером, травил в растворе медного купороса, но совершенно не помню — как и чем я сверлил эти платы…
А тут я собрался городить целый рой поделок и без радиолюбительского дырокола уже не обойтись, так как устройства сложные и навесным монтажом уже не отделаться при всём желании.
Пока я ковырялся в инэте на предмет покупки готового сверлильного станочка для плат — наткнулся на замечательные твёрдосплавные карбидные свёрла для стеклотекстолита, которых до того времени я и в руках не держал:
Такие свёрла практически не тупятся, но они очень хрупкие и легко ломаются при малейшем перекосе в процессе сверления — потому ручная сверлилка отпала сразу. Начал искать вначале б\у сверлильные станочки подешману, потом полез на али и другие ресурсы — но ничего путнего готового мне так и не приглянулось.
В итоге я решил заморочаться и самостоятельно соорудить нормальный сверлильный станок, благо всякого хлама в загашниках полно.
Единственно что я купил — это готовую силовую часть:
Заявлены следующие технические характеристики:
Мощность: 90Вт
Напряжение питания: 24V
Патрон зажимной под свёрла 0.3-4мм
Скорость вращения холостого хода: 11000 об/мин
Скорость вращения с нагрузкой: 4000 об / мин
Потребляемая мощность: 4.5A DC-24V
Блок питания в комплекте регулируемый, но толку от этого не много.
При питании моторчика от такого блока питания высокие обороты держатся на холостом ходу, пока ты не сверлишь плату, а целишься.
11 тысяч оборотов — шумно.
Как только надавил на сверло — обороты резко снижаются.
И чем ниже выставишь напряжение питания — тем сильнее проседают обороты, при 24 вольтах — до 4 тысяч.
По хорошему — нужно наоборот, чтобы без нагрузки обороты были низкими, а под нагрузкой — увеличивались.
Гулять так гулять — я решил забабахать автоматическую регулировку оборотов от нагрузки.
Нашёл в интернете десяток похожих друг на друга схем, немного доработал под свои хотелки — в итоге получилось вот такое чудо:
Транзисторы подойдут самые примитивные, начиная от кт805 и подобных. Не нужен ни высокий коэффициент усиления по току, ни ещё какие супер характеристики. Я перепробовал много чего из имеющегося(вплоть до составных транзисторов Дарлингтона) — разницы в поведении схемы минимум, просто меняются номиналы резисторов.
Резистор R1 определяется мощностью электродвигателя, от него зависит чувствительность схемы к нагрузке и общая стабильность работы. Через него протекает почти весь ток, потребляемый двигателем, поэтому он должен быть достаточно мощным. Сопротивление этого резистора маленькое и тепла на нём выделяется не много — мощный резистор желателен просто из-за толщины выводов. Если номинал этого резистора завышен — электродвигатель будет постоянно работать на максимальных оборотах. Если занижен — только на минимальных. Нужно подобрать такое МИНИМАЛЬНОЕ сопротивление резистора, при котором электродвигатель устойчиво работает на минимальных оборотах, но при малейшей нагрузке мгновенно разгоняется до максимальных.
Требуемая частота вращения на холостом ходу выставляется резисторами R2 и R3.
Ёмкость конденсатора C1 влияет на время задержки включения и отключения высоких оборотов и требует увеличения, если двигатель работает рывками.
Транзистор Т1 желательно размещать на радиаторе, т.к. при использовании двигателя большой мощности он довольно сильно нагревается. Также сильно греется резистор R2 — мне даже пришлось делать составной резистор из двух двухватных.
Важным условием является хорошее состояние коллекторного узла двигателя, т.к. плохой контакт щеток с коллектором двигателя может вызывать странное поведение схемы и работу двигателя рывками.
Теперь на холостом ходу дрель еле крутится, но как только коснёшься сверлом платы — обороты возрастают до максимальных. В принципе такого же эффекта можно добиться намного проще — поставить микровыключатель на каретку или под ручку. Чуть сдвинул каретку — микрик сработал — дрель заработала на полную. Но это банальный вариант, а как же высокие технологии? 🙂
Как только начинаешь сверлить плату — вокруг сверла тут же начинает расти горка пыли. Процессу сверления эта горка не мешает, но чтобы нормально прицелиться в точку следующего отверстия нужно эту горку пыли смахнуть или сдуть. Чтобы не париться этим вопросом я подключил параллельно моторчику дрели ещё и электровентилятор от компьютера. Этот номер у меня не удался — электровентилятор маскировал броски тОка от электромотора дрели и схема работать перестала — электродвигатели постоянно работали на максимальных оборотах. Пришлось городить развязывающий узел на транзисторе T3.
На холостом ходу транзистор Т3 прикрыт и вентилятор работает в четверть силы(напряжение на нём около 4 вольт). Как только дрель начинает сверлить — транзистор Т3 открывается полностью и на электровентилятор подаётся напряжение 24 вольта — поток воздуха с вентилятора значительно усиливается и всю стружку тут же сдувает. Электровентилятор обычный 12-ти вольтовый, но в режиме «форсажа» на него подаётся почти 24 вольта — так что даже 6см пропеллер обеспечивает достаточный воздушный поток.
Поскольку такой «форсаж» кратковременный и чередуется с периодами почти полного выключения — то двигатель электровентилятора не успевает сильно перегреваться, я даже не стал ставить токоограничивающее сопротивление.
Под занавес для пущего удобства было примантулено допосвещение зоны сверления.
На это дело был пожертвован 10-ти ваттный 12-ти вольтовый светодиод с драйвером.
Светит это безобразие во все стороны желтовато-зелёным светом, но при сверлении по глазам не бьёт и освещает зону под сверлом довольно ярко и равномерно.
В результате радиолюбительского припадка за станком образовался вот такой комок проводов и радиодеталей:
После окончания экспериментов я засверлил платку для нормального оформления конструкции.
Так что первая изготовленная печатная плата стала составной частью сверлильного станка.
Экзоскелет станка строился в два этапа.
Вначале я сварганил остов из досок. Так показалось и быстрее и эстетичнее.
Смотрится такая штука неплохо, но древесина была овно и после длительного ковыряния я забросил этого буратину в помойное ведро и сварил каркас из стальных уголков. Станок получился в итоге довольно тяжёлый, но зато он теперь не стремится от вибрации спрыгнуть со стола и самоубиться о кафельный пол.
В качестве столешницы для станка был применён кусок напольного ламината с помойки.
Ручкой стал обломок какой-то поломанной отвёртки.
Полозья — откручены были давно от каких-то мебельных ящиков. Линейные подшипники в них были промыты от грязи и пересмазаны, а для пущей монструозности и прецизионности агрегата количество шариков на погонный сантиметр было удвоено.
После черновой сборки и пробного запуска всё было разобрано до болтика, ещё раз ошкурено начистовую и покрашено с баллончика:
Издырявил кусок 4мм текстолита вначале карбидным 0.8мм сверлом, потом 1.0 обычным, сверлится — просто песня. Прям целый день бы сверлил, не останавливаясь!
Так в хозяйстве появилась ещё одна полезная самоделка.
Надеюсь она мне сэкономит кучу времени и нервов.
P.S.
Ну а вот и первые поделия:
Для лужения применяю медную плетёнку от экранированного кабеля, «пропитанную» сплавом Розе. Дорожки перед лужением очищаю от остатков краски тряпочкой, от души смоченной 647 растворителем. После высыхания — прохожусь другой тряпочкой, от души смоченной ортофосфорной кислотой — иначе могут быть места, плохо поддающиеся лужению. После высыхания ортофосфорки наношу кисточкой на дорожки спиртовой раствор канифоли с небольшим процентом глицерина. Сплав Розе имеет очень низкую температуру плавления и нужен только для лужения дорожек! После высыхания спирта буквально «натираем» плетёнкой, обёрнутой вокруг жала паяльника, все дорожки до изменения цвета дорожек с рыжего на серебряный. Никаких наплывов сплава Розе на дорожках быть не должно! Все выводы деталей сильно желательно тоже пролудить во избежание последующих сюпризов.
P.P.S.
По итогу изготовления первых печатных плат получилась следующая картина использования карбидных свёрел: Для резисторов 0.125-0.25вт, маломощных транзисторов и диодов, мелких керамических конденсаторов — применяем свёрла диаметром 0.65мм; Для мелких электролитов, полупроводников помощней и здоровенных керамических конденсаторов — применяем свёрла диаметром 0.85мм.
Красивые наборы из 30-40 свёрел разного диаметра, типа как на первом рисунке этой статьи — нах не нужны. Можно ограничится только указанными двумя номиналами карбидных свёрел. Свёрла 1мм и толще используются вообще очень редко и такие отверстия есть смысл вначале сверлить свёрлами 0,85, а потом рассверливать обычными недорогими свёрлами под нужный диаметр — так точнее получается.
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.
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.
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.