Пристрій для друку плат своїми руками
Вкотре 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, який вже зараз можна використовувати для створення найпростішої електроніки.
Нижче я розповім про те, як робив цей девайс.
Базовий процес виготовлення друкованої плати субтрактивним методом у тому, що у фольгированном матеріалі видаляються непотрібні ділянки фольги.
Сьогодні більшість електронників використовують технології типу лазерно-прасної для домашнього виробництва плат. Цей метод передбачає видалення непотрібних ділянок фольги з використанням хімічного розчину, який роз'їдає фольгу у непотрібних місцях. Перші експерименти з ЛУТом кілька років тому показали мені, що в цій технології повно дрібниць, які іноді геть-чисто заважають досягненню прийнятного результату. Тут і підготовка поверхні плати, і вибір паперу чи іншого матеріалу для друку, і температура разом із часом нагріву, і навіть особливості змивки залишків глянсового шару. Також доводиться працювати з хімією, а це не завжди зручно та корисно в домашніх умовах.
Мені хотілося поставити на стіл деякий пристрій, в який, як у принтер, можна відправити вихідник плати, натиснути кнопку і через якийсь час отримати готову плату.
Небагато погуглив можна дізнатися, що люди, починаючи з 70-х років минулого століття, почали розробляти настільні пристрої для виготовлення друкованих плат. Насамперед з'явилися фрезерні верстати для друкованих плат, які вирізали доріжки на фольгованому текстоліті спеціальною фрезою. Суть технології полягає в тому, що на високих оборотах фреза, закріплена на жорсткому та точному координатному столі зЧПУ зрізає шар фольги у потрібних місцях.
Бажання негайно купити спеціалізований станок пройшло після вивчення цін від постачальника. Викладати такі гроші за влаштування я, як і більшість хобільників, не готовий. Тому вирішено було зробити верстат самостійно.
Зрозуміло, що пристрій повинен складатися з координатного столу, що переміщає ріжучий інструмент у потрібну точку та 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 зі створення плоттера я залишив саморобний координатний стіл. Тому основне завдання полягало у створенні ріжучого інструменту.
Цілком логічним кроком могло стати оснащення плотера мініатюрним гравером на зразок 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 вигнутим). У результаті вирізати на ньому плати більш-менш хорошої якості не було б можливим. До того ж не на користь використання фрезерної обробки говорив той факт, що фреза тупиться з часом і втрачає свої ріжучі властивості. От було б чудово, якби мідь із поверхні текстоліту можна було видаляти безконтактним способом.
Вже є лазерні верстати німецького виробника LPKF, в яких фольга просто випаровується потужним напівпровідниковим лазером інфрачервоного діапазону. Верстати відрізняються точністю та швидкістю обробки, але їх ціна ще вища ніж у фрезерних, а зібрати з доступних всім матеріалів таку річ і якось її здешевити поки неє простим завданням.
З усього сказаного вище я сформував деякі вимоги до бажаного пристрою:
- Ціна можна порівняти з вартістю середнього домашнього 3д-принтера
- Безконтактне видалення міді
- Можливість зібрати пристрій із доступних компонентів самостійно в домашніх умовах
Так я почав розмірковувати про можливу альтернативу лазеру в області безконтактного видалення міді з текстоліту. І натрапив на метод електроіскрової обробки, який давно застосовується у металообробці для виготовлення точних металевих деталей.
При такому методі метал видаляється електричними розрядами, які випаровують та розбризкують його з поверхні заготовки. Таким чином, утворюються кратери, розмір яких залежить від енергії розряду, його тривалості і, звичайно ж, типу матеріалу заготівлі. У найпростішому вигляді електричну ерозію стали використовувати в 40-х роках XX століття для пробивання отворів у металевих деталях. На відміну від традиційної механічної обробки отвору можна було отримати практично будь-яку форму. В даний час даний метод активно застосовується в металообробці та породив цілу серію видів верстатів.
Обов'язковою частиною таких верстатів є генератор імпульсів струму, система подачі та переміщення електрода - саме електрод (зазвичай мідний, латунний або графітовий) є робочим інструментом такого верстата. Найпростіший генератор імпульсів струму є простим конденсатором потрібного номіналу, підключений до джерела постійної напруги через струмообмежуючий резистор. При цьому ємність і напруга визначають енергію розряду, яка визначає розміри кратерів, а значить і чистоту обробки. Щоправда, є один істотний нюанс — напруга наконденсатор в робочому режимі визначається напругою пробою. Останнє практично лінійно залежить від зазору між електродом і заготівлею.
За вечір був виготовлений прототип ерозійного інструменту, що є соленоїдом, до якоря якого прикріплена мідна тяганина. Соленоїд забезпечував вібрацію дроту та переривання контакту. Як джерело живлення було використано ЛАТР: випрямлений струм заряджав конденсатор, а змінний живив соленоїд. Ця конструкція була закріплена також у тримачі ручки плоттера. Загалом результат виправдав очікування, і голівка залишала на фользі суцільні смуги з рваними краями.
Спосіб явно мав право на життя, але потрібно вирішити одне завдання — компенсувати витрати дроту, що витрачається при роботі. Для цього потрібно створити механізм подачі та блок управління для нього.
Після цього весь вільний час я почав проводити в одному з хакспейсів нашого міста, де є верстати для металообробки. Почалися тривалі спроби зробити прийнятний ріжучий пристрій. Ерозійна головка складалася з пари шток-втулка, що забезпечують вертикальну вібрацію, зворотної пружини та протяжного механізму. Для управління соленоїдом потрібно виготовити нескладну схему, що складається з генератора імпульсу заданої довжини на NE555, MOSFET-транзистора та 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 та керування приводом проводиться згідно з виміром періоду автоколивань. Однак стабільний автоколивальний режим виявився можливим у діапазоні амплітуд коливання головки, який становив менше половини максимального. Тому яприйняв рішення використовувати фіксовану частоту коливань, що генеруються апаратним ШІМом. При цьому стан зазору між дротом і платою можна судити за часом між закінченням відкриває імпульсу і першим імпульсом струму. Для більшої стабільності при роботі та поліпшенні частотних характеристик соленоїд був закріплений над механізмом протягування дроту, а якір розміщений на алюмінієвій скобі. Після цих доробок вдалося досягти стійкої роботи на частотах до 35 Гц.
Принципова можливість виготовляти плати за допомогою електроіскрової обробки підтверджена. У найближчих планах підвищити точність, збільшити швидкість обробки та чистоту різу, а також викласти частину напрацювань у відкритий доступ.