Фрезерный станок печатных плат руками. ЧПУ фрезер Cyclone PCB Factory. Станок для гравировки печатных плат. Результаты и вывод

Как сейчас помню, 23го февраля наткнулся на пост на тудее, где человек хотел гравировать печатные платы на 3д принтере. В комментариях посоветовали не мучать животинку принтер и обратить внимание на проект Cyclone PCB Factory.

Загорелся идеей. В последствии, в какой то момент я даже пожалею что взялся, но это будет сильно позже.

О собственном ЧПУ фрезере для печатных плат я мечтал очень давно, это была вторая хотелка после 3д принтера. Решил повторить проект, тем более что кое-что у меня в закромах уже было.

Скачал файлы проекта и не долго думая принялся печатать детальки. Управился примерно за неделю. Распечатал все, кроме оси Z.

Подробных фотографий всех деталей не осталось. Кому-то делал скриншот настроек печати и результата. Сопло 0,4, высота слоя 0,24. Печатал и слоем 0,28 - вполне нормально печатает.

Станок захотелось сделать цветным, поэтому разные детали печатал пластиком разного цвета. Пластик использовал ABS Prostoplast. Цвета космос, травяной зеленый, алеющий закат.

Лучше бы напечатал все серым космосом. Красный и зеленый оказались достаточно хрупкими и часть деталей дали трещины при сборке. Что-то вылечилось ацетоном, что-то заново перепечатал.

Комплектующие:

Три свободных шаговых двигателя у меня было, покупал их под проект 3д принтера, решил временно задействовать.

Направляющие 8мм добыл из струйных принтеров, раздербанив несколько принтеров на органы. Шерстил местные комиссионки, авито. Донорами стали струйные принтеры HP по 100-200 рублей за штуку. Длинная направляющая пилилась на две части, на оси X и Z.

Прижим бумаги с которого я снял резиновые ролики пошел на ось Y. Длины как раз хватило чтоб обрезать по накатку.

Линейные подшипники оставались с 3д принтера, принтер я перевел на бронзовые втулки в горошек.

В качестве электроники решил использовать одну из своих Arduino Uno на atmega328p. Докупил на Али плату cnc shield 3.0 для Arduino за 200 с копейками рублей.

Блок питания 12В из Леруа Мерлен. Покупал чтоб запитать три 12В галогенки, но он их не потянул. Пришлось отремонтировать трансформатор для галогенок Tachibra, а этот блок питания прижился на станочке.

На 3д принтер я поставил драйвера 8825, с принтера у меня остались a4988. Их и поставил на станок.

Подшипники 608ZZ заказал на Али, десяток за 200 с копейками рублей..

В качестве шпинделя планировал использовать свой китайский гравер GoldTool.

Резьбовые шпильки м8 достались с работы на халяву, остались с какого-то монтажа. Подобрал практически "с помойки".

Пока печатался проект и ехали детали с Али, попросил знакомого мебельщика вырезать из МДФ основание и столик. Он не поленился и не пожалел обрезков, выпилил 2 основания и 2 столика. На фото один из комплектов.

Фанеры у меня в закромах не было, купить лист фанеры не позволило жадное животное. МДФ кстати подошел очень хорошо.

Начал собирать станок. Все бы ничего, но стандартные гайки на 13 проваливались и болтались внутри шестерни, гайки на 14 не лезли в шестерни. Пришлось 14е гайки вплавить в шестерни паяльником.

Шестерни или болтались на осях шагового двигателя, или не лезли.

Гайки винтов м3 прокручивались в посадочных гнездах.

Нашел у себя несколько квадратных гаек под резьбу м3 (разбирал когда-то какой-то штеккер, из него), которые идеально подошли и не прокручивались. На работе еще нашел таких штеккеров и пустил на гайки. В основном это крепления направляющих. Обычные гайки для резьбы м3 приходилось придерживать тонким жалом отвертки, чтоб не прокручивались.

Как-то собрал. Позже читая темы про Cyclone, наткнулся на переработанные детальки станка под метрический крепеж. Из этого набора заново распечатал шестерни и крепление концевика по оси Z. Жаль мне не попался этот набор запчастей раньше. Печатал бы эти запчасти.

В надежде применить свой китайский гравер распечатал сначала одно крепление под дремель из комплекта, потом второе. Не подошло, мой гравер ни в одно не лез. Оригинальный же дремель, самый простой, стоил три с небольшим тысячи рублей. За что???

Лишние запчасти.

И еще, линейные подшипники в своих гнездах болтались как что-то в проруби.

Пришлось за тысячу с небольшим заказать на али 200Вт шпиндель с цанговым зажимом ER11. Удачно попал на скидки и использовал купон.

Пока ехал шпиндель, распечатал под него крепление из комплекта станка. И снова прокол, оно такое же ущербное. И ни слова про хомут для шпинделя.

В итоге нашел и распечатал вот это крепление под 52мм шпиндель После небольшой доработки крепление встало на станок, в него хорошо вошел шпиндель.

А вот подшипники на втулках Cargo пришлось из них убрать. Поставил китайские LM8UU

Отдельно хочется сказать про китайские подшипники 608zz. Подшипники с новья с люфтом. Ужасные. Одно что стоят сравнительно не дорого. У нас подшипники не искал.

Кстати подшипники в посадочные места вошли так же, как нечто в прорубь. В посадочных местах подшипники болтались. Не знаю, баг это или фича. В итоге на обоймы подшипников мотнул изоленты.

Китайские lm8uu и lm8luu от 3д принтера так же оказались хламом. В итоге на ось Y сделал подшипники скольжения на втулках Cargo 141091. Распечатал пластиковую обойму и в нее вставил по паре втулок. Получившиеся подшипники вставил в крепления.

На ось Z выбрал более менее живые lm8uu. На ось X верхний подшипник поставил lm8uu, а вместо двух нижних распечатал пластиковую обойму по размеру lm8luu и в нее вставил пару втулок Cargo.

Удачно я ими в свое время закупился. Пригодились.

Во время сборки станка я и пожалел, что взялся. Но, деваться было некуда, надо было проект завершать. Собрал. Запустил!

Еще немного фотографий процесса сборки.

Самое начало сборки...

Здравствуйте, дорогие друзья! Сегодня мы расскажем Вам про то, как создать ЧПУ из принтера. Основной причиной того, что сейчас так часто в интернете предлагают переделать из принтера или сканеров самодельные устройства, является то, что многие современные периферийные устройства для ПК настолько сложны с функциональной точки зрения, что в переделанном виде позволяют создавать станки, способные выполнять удивительные задачи.

Приступаем к изготовлению

Чтобы начать изготавливать станок ЧПУ из старого принтера, вам потребуются некоторые запчасти, которые входят в струйные принтеры:

Приводы, шпильки, направляющие от принтера (желательно использовать несколько старых принтеров; принтеры необязательно должны печатать);
Привод от дисковода.
Материал для создания корпуса – фанера, ДСП и т.п.
Драйверы и контроллеры;
Материалы для крепежей.

Полученные станки с числовым программным управлением смогут выполнять различные функции. Всё, в конечном итоге, зависит от устройства, которое будет располагаться на выходе станке. Чаще всего из струйных принтеров делают , выжигатель (при помощи установки выжигателя на выходе устройства) и сверлильные машины для создания печатных плат.

Основой является деревянный ящик из ДСП. Иногда используют готовые, но не составит труда сделать го самостоятельно. Необходимо учесть, что внутри ящика будут располагаться электронные компоненты, контроллеры. Собирать всю конструкцию лучше всего при помощи саморезов. Не забывайте, что детали нужно располагать друг относительно друга под углом 90 градусов и крепить максимально прочно друг к другу.

Создание самодельного станка

Прежде, чем переделать принтеры или сканеры в мини станки, которые смогут выполнять фрезерные работы, следует максимально точно собрать раму конструкции и ее основные составляющие.

На верхнюю крышку устройства требуется установить главные оси, которые являются важными компонентами среди всех профессиональных станков. Осей должно быть всего три, начало работы необходимо производить с крепления оси у. Для того чтобы создать направляющую используют мебельный полоз.

Отдельно отметим создание ЧПУ из сканера. Переделка этого устройства такая же, как и, если бы, под рукой был старый струйный принтер. В любом сканере, есть шаговые двигатели и шпильки, благодаря, которым и производится процесс сканирования. В станке нам пригодятся эти двигатели и шпильки, вместо сканирования и печати будет производится фрезерование, а вместо головки, которая перемещается в принтере, будет использоваться движение фрезерного устройства.

Для вертикальной оси, в самодельном ЧПУ нам пригодятся детали из дисковода (направляющая по которой перемещался лазер).

В принтерах есть так называемые штоки, именно они играют роль ходовых винтов.

Вал мотора должен быть соединен со шпилькой при помощи муфты гибкого типа. Все оси необходимо прикреплять к основаниям, выполненным из ДСП. В конструкциях такого типа фрезер перемещается исключительно в вертикальной плоскости, при этом сдвиг самой детали происходит по горизонтали.

Электронные компоненты будущих станков

Это является одним из самых важных этапов конструирования. Электроника самодельных машин является ключевым элементом управления всеми двигателями и самим процессом.

Работы, которые будут выполняться будущим станком и процессы, возникающие во фрезерном и сверлильном механизмах – очень разнообразны и точны, поэтому нам понадобиться надежный контроллер и драйвер.

Самодельная машина может функционировать на отечественных К155ТМ7, их нам понадобиться 3 штуки.

К каждому драйверу идут проводки от своей микросхемы (контроллеры независимы).

Шаговые двигатели в самодельном аппарате должны быть рассчитаны на напряжение, не превышающее 30-35 В. Часто случалось так, что при повышенной мощности, советские микросхемы-контроллеры перегорали.

Блок питания идеально подходит от сканера. Его нужно подсоединить к блоку к кнопке включения, контроллером и сами устройством (фрезер, дрель, выжигатель и так далее).

Главная плата управления (материнская плата для станка ЧПУ своими руками) должна быть подключена к персональному компьютеру или ноутбуку. Именно при помощи компьютера станок сможет получать четкие задания и превращать их в трехосевые движения, создавая конечные продукты. Идеальным будет программа Math3, которая позволяет создавать эскизы. Также отлично подойдут профессиональные программы для векторной графики.

Конечно, все зависит от вашей фантазии и прочности (грузоподъемности) корпуса и рамы. Однако, чаще всего ваш аппарат сможет разрезать фанеру толщиной менее 1,5 см, трехмиллиметровый текстолит или пластик.

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.

Оптимальным и популярным на сегодняшний день способом является фрезеровка печатной платы на ЧПУ.

Традиционно, есть три способа создания любительских печатных плат:

Фрезеровка печатных плат на ЧПУ.
Использование переноса тонера и химическое травление в хлорном железе, но в данном методе может быть сложным достать нужные материалы, плюс ко всему, химикаты – опасные вещества.
С помощью платных услуг предприятий, которые этим занимаются – услуги довольно недорогие, цена зависит от трудоемкости заказа, сложности и объема. Но это не очень быстрый процесс, поэтому придется ждать некоторое количество времени.

В данной статье мы рассмотрим, стоит ли заниматься данным видом работы, что для этого требуется, и какие усилия нужно приложить, чтобы получился качественный продукт на выходе.

Преимущества и недостатки фрезерования плат на ЧПУ

Данный способ довольно быстрый, но имеет как плюсы, так и минусы.

минимальные затраты человеческого труда, почти всю работу делает станок;
экологичность процесса, нет взаимодействия с опасными веществами;
простота повторного производства. Для этого достаточно установить один раз правильные настройки – и процесс можно легко повторить;
массовость производства, так как можно изготовить достаточно большое количество необходимых изделий;
экономичность, идут затраты средств только на приобретение фольгированного стеклотекстолита, который стоит около 2 долларов за лист с размерами 200х150 мм;
высокое качество изготовления.

режущие инструменты и торцевые фрезы могут быть дорогими, а также они имеют свойство изнашиваться;
нет возможности изготавливать данный вид продукта при помощи фрез повсеместно;
фрезерование может занять некоторое время;
при снятии большого количества меди за один проход канавки фрезы забиваются, что затрудняет работу и ухудшает качество обработки;
размер реза зависит от диаметра фрезы и точности фрезерования. Если планируется использование SMD – деталей, необходимо тщательно проверить программу фрезеровки.

Процесс изготовления печатных плат

Все производство данного продукта делится на такие шаги:

Поиск или самостоятельная проработка схемы и разводка дорожек.
Подготовка нужных файлов для дальнейшего производства.
Непосредственное производство.

Для 1 этапа на просторах интернета можно найти большое количество ПО, такого как Sprint Layout, PCad, OrCad, Altium Designer, Proteus и многие другие. Данные программы подойдут для проработки схем и разводки дорожек. Самым популярным сейчас является фрезеровка печатных плат на ЧПУ из программы Sprint Layout. Видео о ней вы сможете найти на нашем сайте.

Объемность второго этапа зависит от сложности платы, которую вы хотите получить. Для самых простых конструкций требуется небольшое количество файлов. Основными из них являются топология, файл для просверливания отверстий и файлы будущей обрезки заготовки и, конечно, готовой платы.

Третий этап включает в себя сверление отверстий под штифты для позиционирования платы на рабочем столе станка, а также вставка самих штифтов. Далее на них необходимо будет насадить плату и обрезать ее по контуру.

Программное обеспечение

Основная трудность фрезеровки печатных плат – это наличие нужных программ, которые позволят перевести рисунок платы в G-Code. Важным аспектом данного момента является то ПО, в котором вы в самом начале занимаетесь разработкой топологии.

Давайте разберемся с принципами работы станка при фрезеровке текстолита. Для лучшего понимания рассмотрим один из примеров работы программы, при помощи которой происходит фрезеровка платы:

Закрепление заготовки на станине, фиксация специальной насадки в шпинделе для того, чтобы просканировать поверхность чтобы увидеть и определить неровности.
Установка фрезы для дорожек в шпиндель, и сам запуск программы для фрезерования.
Установка сверла для сверления отверстий и запуск программы для сверления.
Последним этапом является обрезка ПП по контуру при помощи фрезы. Далее плату можно свободно вынимать из листа текстолита, процесс производства завершен.