CNC Frezowanie płytek PCB w domu

[H1M4W4R1]

Wstęp

Jako, że już jakiś czas temu zakupiłem frezarkę, nadszedł czas by zacząć jej używać do szybkiej produkcji płytek drukowanych do szybkich testów. Popularne płytki stykowe (te białe wciskane) często mają zbyt dużą pojemność, a na dodatek lubią sobie losowo stworzyć zwarcie lub przerwę w obwodzie i szukanie problemów to zabawa w chowanego.

Płytka PCB domowej roboty z wlutowanymi komponentami

Teoretycznie można zamawiać prototypy z tanich fabryk w Chinach jak np. JLCPCB, aczkolwiek wiąże się to z kosztami (minimum to zazwyczaj 5 płytek drukowanych) oraz długim czasem dostawy (o ile wybieramy tańszą opcję).

Inną opcją domowej produkcji jest wytrawianie (czy to używając termotransferu czy folii/lakieru światłoczułego do stworzenia maski), ale robienie tego w bloku jest co najmniej nierozważne (no dobra... po prostu mam do tego dwie lewe ręce i brak cierpliwości by pilnować procesu).

O frezarce i laminacie słów kilka

Sama Carvera posiada pole robocze o wymiarach (około 300x200mm), aczkolwiek część tego pola zajmuje czujnik długości narzędzia (plus musimy jakoś umocować materiał), więc rzeczywiste pole robocze jest bardziej zbliżone do 250x150mm. W sam raz dla popularnych laminatów 10x15cm oraz 13.5x20cm (w sumie w innych sklepach jest więcej pasownych rozmiarów). Osobiście jednak lubię kupować losowe rozmiary (na wagę), gdyż wiele z moich projektów (co widać po wpisach na forum) to moduły, które są niewielkie i bez problemu można je wykonać nawet na kawałku "odpadu" - co dla jednego jest śmieciem dla innego może być skarbem.

Teoretycznie istnieją laminaty jednostronne i dwustronne, aczkolwiek produkcja dwustonnych płytek jest dość uciążliwa (a przynajmniej robienie przelotek) i większość domowych płytek najlepiej projektować pod laminat jednostronny.

Proces

Sam proces zaczyna się w EDA, osobiście używam EasyEDA Pro, które ma możliwość eksportu plików do formatu .STEP. Teoretycznie model .OBJ również się nadaje, aczkolwiek jego obróbka jest uciążliwa, szczególnie w programach CAD. Należy pamiętać, by wyeksportować model razem ze ścieżkami (i opcjonalnie warstwą opisową).

Wyeksportowany model importowany jest do programu CAD, w moim przypadku Fusion 360. Po imporcie warstwa ścieżek jest poszerzana do grubości 0.1mm, a warstwa laminatu dopasowywana tak, by stykała się z warstwą ścieżek i miała grubość 1.6mm.

Model w Fusion 360

Gdy nasz model jest gotowy czas na przejście do trybu CAM i przygotowanie operacji. Carvera ma bardzo dobre profile maszyn stworzone przez społeczność dla Fusion360, które umożliwiają łatwe dodanie setupu dla tej maszyny, aczkolwiek ten artykuł to nie jest kurs CAM i takiej wiedzy polecam poszukać na YouTube (lub w formie wideo na innych portalach), gdyż jest to temat na cały kurs.

Ogólny proces produkcji PCB na frezarce wygląda następująco:

1. Frezem grawerskim (typu V) wykonujemy izolację ścieżek. Frez dobieramy na podstawie najmniejszego odstępu między ścieżkami. Należy pamiętać, że górna część frezu będzie miała inną szerokość niż czubek i należy ją wyliczyć (można użyć specjalistycznych kalkulatorów; podany używa cali, ale wprowadzając wszędzie wartości w mm również otrzymamy właściwy wynik w oczekiwanej jednostce). Szczególnie ważne jest, by izolację ciąć "na zakład" - stepover powinien być mniejszy niż 75, a najlepiej niż 50% szerokości czubka frezu.
2. Wiertłami do PCB wykonujemy otwory, które są okrągłe (i dla których wiertła posiadamy). 
3. Frezem wieloostrzowym grubszym (lub równym) 0.8mm wykonujemy pozostałe otwory. Pamiętamy o tym, by nie ciąć agresywnie (mniejsze otwory lepiej ciąć helisą, większe można wycinać bokiem freza lub ciąć na kilka głębokości, preferowana jest ta pierwsza opcja, gdyż powoduje znacznie mniejsze zużycie narzędzia).
4. Frezem wieloostrzowym (preferencyjnie 1/8") wycinamy obwódkę. Tutaj preferowane jest cięcie na kilka głębokości (0.3-0.5mm na przejście jest akceptowalną wartością). Należy pamiętać, by do obwódki dodać mocowania, które spowodują, że nasza płytka nie odpadnie od laminatu, gdy maszyna skończy ciąć. Prawie zawsze kończy się to złamanym frezem.

Widok ścieżek i symulacja w programie CAM (Fusion 360)

Kolejne etapy pracy nad płytką drukowaną - cięcie ścieżek, wywiercone otwory oraz wyfrezowane otwory i obwódka

Rezultat

Czas i oszczędności

Koszt wykonania takiej płytki (uwzględniając odpad) wynosi poniżej 1 złotówki w porównaniu do zamawiania z Chin, gdzie minimum to około 15-25 złotych za 5 płytek. O ile Chińskie płytki mają soldermaskę domowe też mogą ją posiadać (aczkolwiek utwardzanie maski światłoczułej zajmuje nieporównywalnie duży czas dla tak małego laminatu).

Frezowanie powyższej płytki zajęło około:

• Próbkowanie wysokości laminatu (daje znacznie lepsze rezultaty, gdyż ten tani laminat mógłby leżeć w sklepie w pudle z napisem banany): 2m
• Ścieżki: 11m 30s
• Wiercenie otworów: 1m
• Frezowanie otworów: 2m
• Frezowanie obwodu: 1m 30s
• Wymiany narzędzi: Sonda -> Frez V -> Wiertło 0.7mm -> Wiertło 0.8mm -> Frez 0.8mm. 4x 15s = 1m (w rzeczywistości coś bliżej 5s na wymianę)

Łączny czas: 19 minut... Przy takim czasie brak soldermaski można wybaczyć... to nie jest SMT by się przejmować.

Na dodatek na szczególną uwagę zasługuje producent złącza 3.5mm, który postanowił zrobić mnie w koguta i uznał, że zamiana wyprowadzeń na symbolu złącza to nic takiego... Taka mała drobnostka przez którą źle zaprojektowałem schemat i płytka raczej jest nie do odratowania  Tak więc nie dość, że oszczędziłem czas to i pieniądze... (może poza kosztem zakupu frezarki).

Czy warto? Dla mnie tak, szczególnie, że ta maszyna może też robić drobne rzeczy w stali oraz całkiem ciężką robotę w aluminium. Plastik to już absolutne masło, którego obróbkę prezentowałem przy okazji moich innych projektów.

Dokładność

Wiem, że niektórzy się zapytają, więc podrzucę fotkę testowej płytki (moim zdaniem nie jest źle, frezowane frezem grawerskim 0.1mm 30 stopni):

Lewa góra: RP2040, lewa dół: STM32F103C8T6, elementy: 1206, 0805, 0603, 0402, 0201
plus obudowa małego tranzystora SMD i AMS1117

[robotykLEGO]

Skąd masz frezarkę i ile kosztowała?

[H1M4W4R1]

48 minut temu, robotykLEGO napisał:

Skąd masz frezarkę i ile kosztowała?

Link jest w artykule, ale podeślę dla pewności: https://eu.makera.com/products/carvera-air (mam wersję All-in-1)

[robotykLEGO]

na sprzęt za 10 767,74 zł za bardzo mnie nie stać. ale tak czy siak dzięki.

[etet100]

Klasyka. Jak zrobić szafkę za $5? Wystarczy mieć warsztat za 2 miliony.

[H1M4W4R1]

18 minut temu, etet100 napisał:

Klasyka. Jak zrobić szafkę za $5? Wystarczy mieć warsztat za 2 miliony.

Dokładnie  Chociaż u mnie frezarka służy głównie do szybkiego testowania projektów PCB, co by nie musieć czekać dwóch tygodni na dostawę z Chin... Często te czasy dostaw są największym kosztem, a potencjalne dostawy DHLem (200,- per dostawa) szybko zwracają zakup takiej maszyny. Obróbka aluminium była wprawdzie moim priorytetem, ale możliwość całkiem dobrego frezowania PCB podyktowała wybór maszyny.

Teraz raczej wybrałbym wersję Z1 Pro za połowę ceny mojej maszyny, ale z tej też jestem zadowolony.

[MasterYoda95]

Chętnie przeczytam kolejne opisy projektów z wykorzystaniem frezarki!

Sprzętu mogę tylko pozazdrościć, bo nie mam jak wygospodarować dodatkowej przestrzeni w mieszkaniu, żeby sobie taką zabawkę wstawić.