Schede di fresatura PCB
Le schede (circuiti stampati, schede a circuito stampato, ecc.) possono essere prodotte in molti modi. In questo articolo, vorremmo presentarvi due metodi di fresatura per PCB. Il primo metodo è il seguente:
• Realizzare un film
• Esposizione del materiale di base fotosensibile
• Sviluppare
• Acquaforte
• Foratura
• Decorazione
• Rivestimento con vernice per saldatura
Fresatura dell'isolamento PCB
Il secondo modo di Produzione di PCB- La fresatura del PCB, che a prima vista sembra più attraente, è in realtà la fresatura dell'isolante. Questa richiede i seguenti passaggi:
• Generazione dei dati di fresatura, preferibilmente come codice G secondo DIN 66025
• Fissaggio del materiale di base
• Fresatura dei contorni delle piste conduttrici
• Foratura dei fori per i componenti nello stesso serraggio
• Rivestimento con vernice per saldatura
I seguenti punti parlano a favore della fresatura dell'isolamento:
• La base Materiale PCB è più economico
• Il panico per le sostanze chimiche svanisce
• La produzione di un singolo prototipo di PCB è più veloce
D'altro canto, si esprime contro:
• È necessaria una fresatrice CNC estremamente costosa, insieme all'elettronica di controllo e al software per PCB necessari. Il costo totale non dovrebbe scendere sotto i 2,000 euro, nemmeno in caso di autocostruzione. MOKO Technology, produttore di PCB in Cina dal 2006, realizza PCB con fresatrici CNC all'avanguardia per garantire un'ottima qualità.
• Per la fresatura sono necessarie costose frese in metallo duro, che di solito durano solo 1 – 2 assi europee
• La creazione dei dati di fresatura non è semplice
• L'impostazione dei parametri di fresatura del PCB è difficile e di solito funziona solo con tentativi ed errori
• La fresatura di una tavola europea monofacciale può richiedere più di un'ora
• La polvere di fresatura (fibre di vetro!) può essere dannosa per la salute
Procedura di fabbricazione del PCB
Se desiderate comunque fresare i vostri circuiti stampati, ecco la procedura che potete utilizzare per produrre la scheda mostrata sopra con dimensioni 100 mm x 60 mm. Questa è la scheda di controllo del motore del mandrino della fresatrice. La scheda è monofacciale, ma è possibile produrre schede bifacciali con lo stesso processo. È importante che si possa creare una larghezza di traccia che consenta di eseguire una traccia tra due connessioni IC. Altrimenti, è possibile fresare solo schede molto semplici. Il fatto che questa procedura possa avere successo è dimostrato dal seguente ingrandimento:
La larghezza della traccia dovrebbe essere di circa 0.3 mm, mentre la distanza tra le tracce e i punti di saldatura di circa 0.4 mm. Questo significa che la scheda PCB può essere saldata in modo sensato anche senza dover saldare continuamente le tracce tra loro. Tuttavia, questo richiede un saldatore di buona qualità con una punta sottile e lunga e un filo di buona qualità (0.5 mm).
Il software pcb-gcode
Senza un software appropriato, ovviamente, nulla funziona. Puoi usare il software di layout Eagle per progettare i circuiti stampati; naturalmente, se trovi MOKO Technology, puoi ottenere gratuitamente la progettazione di PCB per le tue esigenze di produzione. Eagle ha una versione freeware per provare e per progetti più piccoli. Questo è interessante anche per chi utilizza un programma di layout diverso, come vedremo più avanti.
Tuttavia, la creazione di programmi di fresatura PCB per la fresatura di materiali isolanti non è una funzione standard di Eagle. Tuttavia, poiché è possibile affidare tali funzioni ai cosiddetti "ULP" (User Language Program), un uomo di nome John Johnson si è guadagnato la responsabilità di scrivere un ULP adatto.
L'ULP può essere scaricato dalla pagina di download di CadSoft. Per prima cosa, cercate l'ULP "pcb-gcode.zip". Purtroppo non è presente una funzione di ricerca, ma gli ULP sono ordinati alfabeticamente. Scaricate il file zip e decomprimete tutti i file in esso contenuti nella directory c:-programs-EAGLE-4.12-ulp.
Ora, se digiti "run pcb-gcode -setup" nella vista layout di Eagle sulla riga di comando, dovrebbe apparire la seguente schermata di configurazione:
Qui puoi impostare i seguenti parametri:
1. Lato superiore (parte superiore della scheda PCB, lato del componente)
• Generazione di contorni superiori – Generazione di dati di fresatura PCB per le piste conduttrici della parte superiore
• Generare perforazioni superiori – Creare dati di perforazione per la parte superiore
• Genera riempimenti superiori: crea dati di fresatura per rimuovere tutto il rame tra le tracce e gli occhielli di saldatura (solitamente non necessario)
2. Lato inferiore del PCB (parte inferiore della scheda)
• Come i parametri del top
3. Scheda PCB (parametri che si applicano all'intera scheda)
• Genera fresatura: genera dati di fresatura dallo strato di fresatura della scheda (ad esempio contorno o ritagli più grandi)
• Isolamento predefinito: dovrebbe essere un valore molto piccolo, 0.0025 è OK
• Isolamento massimo: la larghezza massima dell'isolamento
• Dimensione del passo di isolamento: quanto più ampio diventa l'isolamento ad ogni passaggio
4. Unità CB (unità di misura)
• Micron – millesimi di millimetro
• Millimetri – millimetri
• Mils – millesimi di pollice
• Pollici – pollici (25.4 mm)
Quindi fare clic sulla scheda "Macchina". Apparirà la seguente finestra:
Qui puoi impostare i seguenti parametri:
5. Asse Z (impostazioni dell'asse Z)
• Z High – Posizione che evita collisioni con i dispositivi di serraggio
• Z Su — La posizione in cui l'asse Z viene spostato sulla scheda quando si esegue un posizionamento rapido. Non dovrebbe essere impostata troppo alta per risparmiare tempo.
• Z Down – Profondità di intrusione della fresa
• Profondità di foratura leggermente superiore allo spessore del circuito stampato
• Tempo di permanenza del trapano – Tempo di foratura
• Profondità di fresatura – Profondità di fresatura del PCB per contorni e ritagli, leggermente superiore allo spessore della scheda
6. Cambio utensile
• Posizione su cui viene azionato l'asse Z per un comodo cambio utensile
Mandrino (mandrino di fresatura)
• Tempo di rotazione – Tempo in secondi per mantenere il mandrino alla velocità
• Dimensioni dello strumento di incisione: larghezza del punto di incisione per la fresatura dei contorni della traccia (vedere sotto)
7. Velocità di avanzamento
• XY – Velocità di avanzamento per gli assi X e Y durante la fresatura del PCB
• Z – Velocità di immersione della fresa
Quindi fare clic sulla scheda "Stile GCode". Apparirà la seguente finestra:
Qui è possibile impostare per quale programma di controllo PC deve essere generato il codice. Questo è ciò che fa un cosiddetto "post-processor" (.pp). Da appassionato di Mach3, ho scelto "Mach". Se non è presente un post-processor per il programma di controllo che si sta utilizzando, è possibile crearne uno autonomamente procedendo come segue:
• Scegli il post-processore più vicino a quello desiderato
• Quindi aprire il file gcode-defaults.h nella directory C:-Programmi-EAGLE-4.12-ulp con l'editor
• Apportare le modifiche necessarie
• Non modificare i codici di formato come “%f”, “%d”, ecc.
• Salvare il file con un nuovo nome, ad esempio "Cover.pp"
Quindi, cliccando su "Accetta", le modifiche alla configurazione vengono salvate. Cliccando su "Accetta e crea la mia scheda" le modifiche alla configurazione vengono salvate e inizia la generazione dei dati di fresatura e foratura. Cliccando su "Annulla" tutte le modifiche vengono ignorate.
Generazione di dati di fresatura e foratura PCB in Eagle
Generare i dati da Eagle è molto semplice, ma è necessario considerare alcuni dettagli per creare un circuito stampato utilizzabile. Innanzitutto, è necessario impostare le "Regole di progettazione". Per farlo, digitare "drc" nella riga di comando o fare clic sull'icona corrispondente. Apparirà la finestra delle regole di progettazione.
Per prima cosa, clicca sulla scheda "Clearance" e imposta tutte le distanze su 16 mil (0.4 mm). Questo è un buon punto di partenza per i tuoi esperimenti. Quindi clicca sulla scheda "Sizes".
Impostare la larghezza minima della traccia a 16 mil (0.4 mm). Questo è importante quando si lavora con l'Autorouter. Quindi fare clic su "Restring".
Impostare i pad (connettori dei componenti) a 16mil. Questo assicura che non diventino troppo piccoli.
Tutti i valori sono quelli con cui lavoro e con cui ho ottenuto buoni risultati. Naturalmente, potresti ottenere risultati migliori con altri valori.
Quindi fai clic su "Controlla". Probabilmente otterrai un elenco di errori che segnalano distanze insufficienti tra le tracce. Modifica la spaziatura di conseguenza. Tuttavia, puoi ignorare le distanze insufficienti nelle tracce eseguite tra le porte dei circuiti integrati. Anche in questo caso, le tracce non dovrebbero risultare più strette.
Se tutto va bene, digita "run pcb-gcode" sulla riga di comando
Vengono quindi generati i seguenti file, tutti con lo stesso nome del file dello schema, a cui sono allegate le seguenti estensioni:
• top.nc: traccia i contorni per la parte superiore della tavola
• bot.nc: traccia i contorni per la parte inferiore della scheda
• tf.nc: Dati di fresatura per rimuovere il rame rimanente sulla parte superiore (solitamente non necessario)
• bf.nc: Dati di fresatura per rimuovere il rame rimanente sul fondo (solitamente non necessario)
• td.nc: Dati di foratura, visti dall'alto. All'inizio c'è una tabella con i diametri di foratura richiesti. A causa della conversione in pollici e millimetri, con valori parzialmente "crudeli". Basta scegliere la punta che si avvicina di più.
Questi devono essere utilizzati nella produzione di pannelli monofacciali, altrimenti il pannello dovrebbe essere girato.
mt.nc: Dati di fresatura per contorni e ritagli, visti dall'alto.
mb.nc: Dati di fresatura per contorni e ritagli, visti dal basso.
Questi file vengono scritti nella stessa directory del file dello schema.
Per un primo test, puoi ora aprire top.nc o bot.nc in Mach3 e visualizzare il risultato. Presumibilmente, la visualizzazione delle animazioni di fresatura è al di fuori della finestra di anteprima. Pertanto, riduci le dimensioni della visualizzazione fino a visualizzare la scheda. Quindi, sposta e sposta i file fino a ottenere un'immagine chiara:
Clicca sull'immagine per visualizzarla a grandezza naturale e controllare i contorni delle tracce e dei connettori dei componenti. Particolarmente critici sono i punti in cui vengono eseguite le tracce tra i connettori dei componenti. Se non è presente alcuna traccia di fresatura tra la pista conduttrice e il connettore, è necessario ridurre la larghezza del punto di fresatura nella configurazione (dimensione dell'utensile di incisione).
Fissaggio della tavola
Per poter fresare la scheda, è necessario prima fissarla. Lavorare con un regolatore di profondità di incisione o meno fa una differenza significativa. Il regolatore di profondità di incisione garantisce che il punto di fresatura del PCB abbia sempre la stessa profondità di immersione in tutti i punti della scheda. Poiché il punto di fresatura è a forma di V, la profondità determina la larghezza dell'isolante, ovvero la superficie fresata. Se questa diventa troppo larga, le tracce scompaiono nel nulla, se diventa troppo stretta, il rame si blocca e causa cortocircuiti. Il regolatore di profondità sulla mia macchina si presenta così:
Il tubo corto anteriore è il collegamento per l'aspirapolvere, la vite micrometrica serve per la regolazione dell'altezza. Descriverò come funziona il regolatore di profondità, che viene costruito altrove.
Poiché il regolatore di profondità di incisione preme saldamente la tavola sul supporto, non è necessario fissarla contro il sollevamento. È invece importante fissarla contro lo scivolamento. A questo scopo, ho costruito un telaio composto da fogli di alluminio rigidi da 1.0 mm su una piastra di legno.
Due strisce di lamiera formano un angolo in cui la lastra viene pressata da due cunei dello stesso materiale. L'immagine dovrebbe rendere comprensibile il principio. Questo tipo di fissaggio ha il vantaggio, per la produzione in serie, che le lastre vengono sempre bloccate nella stessa posizione. In questo modo posso prima fresare tutte le lastre e poi forarle in un'unica passata, senza dover cambiare continuamente programma e utensile.
Lo strumento di fresatura PCB
Per la fresatura è possibile utilizzare punti di incisione, ovvero parti realizzate con barre tonde in metallo duro, la cui metà viene levigata nella parte inferiore. Questi vengono poi levigati con diverse angolazioni di punta. L'angolo di affilatura è sempre la metà dell'angolo di punta. La punta viene leggermente levigata, creando un tagliente. Larghezza di taglio e angolo di punta possono essere selezionati al momento dell'ordine. Finora, ho ottenuto i risultati migliori con una larghezza di taglio di 0.1 mm, un angolo di punta di 40° e una profondità di fresatura di 0.2 mm. Il disegno mostra un trucco:
Il diametro dell'albero dovrebbe essere di 3 mm, compatibile anche con le pinze Proxxon. Esistono anche punti con un diametro dell'albero di 1/8 di pollice, che non si adattano correttamente alla pinza da 3.2 mm e tendono a "svolazzare". Dai un'occhiata a eBay, ci sono diversi venditori. Assicurati di acquistare punti con un bordo tagliato rifinito; devi rettificare i punti senza tagliarli con una macchina rettificatrice.
Punto zero del pezzo in lavorazione
Nei dati di fresatura per la parte superiore, il punto zero del pezzo si trova sul bordo anteriore sinistro della scheda PCB. In basso, invece, si trova sul bordo anteriore destro. Tutti i valori delle coordinate dell'asse X sono negativi!
Altezza
Se lavori con un cursore per la profondità di incisione, sai come regolarne l'altezza. Altrimenti, il modo più semplice è bloccare una fresa e farla passare brevemente sulla tavola. Quindi allenta il mandrino e lascia cadere la fresa sulla tavola. Quindi stringi di nuovo l'avanzamento e imposta l'asse Z a zero. Non dimenticare di far salire di nuovo l'asse Z!
Profondità di immersione
La profondità di immersione è molto critica, perché determina la larghezza della fresatura del PCB. La formula per calcolarla è:
Fresa 40°: Larghezza = Profondità di immersione * 0.7279
Fresa 60°: Larghezza = Profondità di immersione * 1,1547
È necessaria una certa profondità minima di immersione (0.15-0.2 mm, secondo la mia esperienza), altrimenti si creerà una cresta in corrispondenza delle nervature fresate. Poiché anche le imprecisioni della macchina giocano un ruolo importante, consiglio di provare alcuni pezzi di scarto.
Velocità del mandrino
La velocità del mandrino di fresatura dovrebbe essere la più elevata possibile per ottenere un taglio senza sbavature. Velocità del mandrino a partire da 20,000 giri/min sono accettabili. Tuttavia, sulla mia macchina a 6,000 giri/min si ottengono anche tavole piuttosto pulite.
Fresatura
Ora è il momento di iniziare! Prestate attenzione anche alla distanza di sicurezza necessaria dalla fresa e a non avere ostacoli. Non dimenticate di accendere il mandrino! Probabilmente non sarete soddisfatti del primo risultato e dovrete sperimentare un po'.
Perforazione
Uno dei vantaggi del processo è la possibilità di forare la scheda immediatamente. Per farlo, sono necessari i dati di foratura della pagina corrispondente. I fori attraversano comunque l'intera scheda, ma sono speculari dal basso verso l'alto, ovvero anche con i dati di foratura il punto zero del fondo è posizionato in avanti a destra. Non appena è necessario un cambio di punta, il programma di fresatura PCB si arresta e sposta il mandrino nella posizione specificata per il cambio utensile.
PCB a doppia faccia
Come già accennato, è possibile anche la produzione di tavole bifacciali. Per farlo, create un piccolo foro separato nel layout della tavola e annotate le coordinate. Per farlo, digitate "info" nella riga di comando e cliccate sul foro. Apparirà quindi una piccola finestra.
La prima coordinata (52.07) è l'asse X, la seconda è l'asse Y, visto dall'alto. Se avete ruotato la tavola dopo aver fresato e forato la parte superiore, posizionate il centro del mandrino di fresatura esattamente sopra questo foro e inserite i valori delle coordinate come posizioni X e Y nel controller. Dovete inserire la coordinata X come valore negativo!
Altri programmi di layout PCB
Se stai lavorando con un programma di layout diverso, puoi leggere i dati Gerber ed Exellon utilizzando Eagle Power Tools e quindi generare da essi i dati di fresatura. In quanto produttore di PCB di cui ti puoi fidare, MOKO Technology può essere una buona scelta, in quanto siamo professionisti nella produzione e nell'assemblaggio di circuiti stampati dal 2006 e siamo anche aperti a rispondere a qualsiasi tua domanda sui problemi delle tue schede PCB!
