[Tutorial] Jak tworzyć PCB z użyciem drukarki 3D/plotera.

Jakiś czas temu nabyłem drukarkę 3D i postanowiłem wykorzystać dużą dokładność CNC do tworzenia z jej pomocą PCB. Nie jest to oczywiste i napotkałem po drodze wiele problemów. Zdecydowałem się napisać ten krótki tutorial, żebyście Wy nie musieli się z tym zmagać od początku. Moje rozwiązania nie są perfekcyjne, ale działają i pozwalają znacznie przyspieszyć proces realizacji swoich projektów. Przejdźmy do rzeczy.

1. Sprzęt.
Moja drukarka to klon Prusa I3, ale każda drukarka jest dobra. Producent z reguły nie uwzględnił dodatkowego miejsca mocowania na pisak lub rylec, więc będziemy musieli jakoś sobie z tym poradzić. Można spróbować poszukać gotowych rozwiązań do wydrukowania dla naszego modelu, albo zaprojektować własną przystawkę do trzymania pisaka - ja nie znalazłem optymalnego i wydrukowałem własny.
Adapter ten kotwiczy się magnetycznie z tyłu na czterech łbach śrub karetki osi X (magnesy neodymowe) i pozwala złapać pisak do PCB przy pomocy dwóch uchwytów dociskanych czterema śrubami. Rozwiązanie magnetyczne ma swoje plusy - w razie, jeśli coś pójdzie nie tak, adapter po prostu się zsunie. Minusem jest ta sama cecha - adapter może się przesunąć, jeśli zadziałają na niego za duże siły.



Elementy potrzebne do adaptera można wydrukować na drukarce 3D - adres plików do druku i źródłowego we FreeCad na stronie thingiverse . Drukujemy jeden raz podstawę i dwa razy zacisk. Zaciski mocowane są na gwintowanych prętach m3 przyciętych pod wymiar. Na pręty nakręcamy samohamowne nakrętki (lub zwykłe posmarowane klejem) i mocujemy w podstawie. Po ich umocowaniu wklejamy magnesy neodymowe 8x3mm. Drugi koniec prętów m3 przewlekamy przez mocowania i nakręcamy na nie nakrętki m3 z nałożonymi dowolnymi niedużymi kształtkami - aby łatwiej było ręcznie dokręcać.

2. Oprogramowanie i drukowanie.
Startujemy z Waszego ulubionego programu do projektowania PCB i/lub symulacji, ale wspólnym krokiem dla wszystkich będzie obraz rastrowy 2D - np BMP lub PNG, który można jeszcze obrobić w darmowym programie jak GIMP itp, aby uzyskać perfekcyjny obraz ścieżek i otworów. Tu sporo będzie zależeć od tego, czy chcemy obraz pozytywowy - tj. na laminacie chcemy mieć widoczne ścieżki, a większość powierzchni będzie pusta czy chcemy mieć obraz płytki jak po obrabiarce CNC - tj. cienkie obrysy ścieżek z zachowaną prawie całą powierzchnią miedzi.
Następnie używamy załączonego programu "Image To STL Converter" uzyskując plik STL. Parametry, jakie są potrzebne do wygenerowania pliku są widoczne na zdjęciu.



Plik STL następnie otworzymy w programie do cięcia i obsługi drukarki - w moim przypadku będzie to RepetierHost i CuraEngine. Wybieramy jeden ze schematów stosowanych do:

- OBRAZ POZYTYWOWY (ścieżki i puste tło): ścieżki są kreślone po laminacie mazakiem włożonym w zbudowany przez nas adapter. Stosuję mazak EDDING z końcówką 0.3mm. Płytka może być wcześniej przeszlifowana papierem ściernym. Rozwiązanie ma nieco niższą rozdzielczość. Wystarczy jeden 'przelot' przez płytkę, aby ścieżki były gotowe, przerywamy w dowolnym momencie. Stosujemy wypełnienie i retrakcję z 1mm podnoszeniem osi Z przy ekstruzji. Wypełnienie to 60-80%.
Pisak układamy w adapterze tak, aby znajdował się poniżej dyszy ekstrudera. Podczas bazowania osi ręcznie wyzwalamy endstop osi Z i manualnie obniżamy pisak tak, aby dotykał ustawionego w odpowiednim miejscu laminatu. Następnie w Repetier Host ustawiamy Dryrun (bez grzania stołu i bez pracy ekstrudera - tylko ruch) i obserwujemy jak pisak kreśli ścieżki.

Efekt wygląda tak:




-OBRAZ NEGATYWOWY (ścieżki są wycinane w pierwotnie pomalowanej równo powierzchni laminatu - UWAGA - laminat nie może być porysowany, tylko wyczyszczony acetonem, gładki): w zbudowany adapter wkładamy rylec na sprężynie (dalej opis jak go stworzyć). Ważne jest, aby drukarka wykonała kilka przelotów na niskiej prędkości druku - ja ustawiam 12% na SmartControllerze. Rylec powoli kreśli wyznaczoną trasę usuwając marker z płytki. Można zrobić mu pauzę i przetrzeć czasem końcówkę. Oczywiście w RepetierHost zaznaczamy Dryrun - bez grzania stołu i z wyłączonym ekstruderem.
W kolejnych warstwach warto korygować położenie rylca używając microsteppingu w osi Z (opcja w smartController). Sprężyna umożliwia rozpoczęcie niżej o kilka mm. Ważne, żeby nie za nisko...

Efekt wygląda tak:





3. TRAWIENIE.
Uzyskane w poprzednim kroku płytki trawimy. Ja do tego celu zbudowałem sobie 'asystenta trawienia', ale wystarczy jakikolwiek pojemnik niemetaliczny oporny na czynnik trawiący. Finalnie po nawierceniu otworów:



4. RYLEC DO METODY NEGATYWOWEJ. Jak zbudować rylec do metody negatywowej?

Do budowy rylca użyjemy naszej drukarki 3D - zaprojektowane części do wydruku i plik FreeCAD dostępne na stronie thingiverse . Oprócz części 3D potrzebujemy też: sprężynkę od długopisu, dwie gumki recepturki i szprychę rowerową przyciętą pod wymiar. Szprychę warto posmarować obojętym smarem - np. silikonowym lub wazelinowym. Dalszy koniec szprychy mocujemy w sprzęgle przy pomocy dwóch śrub i nakrętek.
Jako końcówki rysującej po laminacie użyłem igły od starego cyrkla i świetnie daje sobie radę. Igła także jest mocowana sprzęgle przy pomocy dwóch śrub M3 i nakrętek. Dwie nakrętki mocujemy też jako podkładki dla sprężyny od długopisu - w dalszym końcu mocowania i bliższym końcu sprzęgła.

PYTANIA I ODPOWIEDZI:
1. Dlaczego nie silnik z frezem grawerskim? Możnaby zrezygnować z trawienia.

Myślałem o tym, jednak zrezygnowałem z dwóch przyczyn. Po pierwsze, jest to bardzo brudna robota i nie powinno się tego robić w domu. Pół biedy ścinki, które widać, ale znacznie gorsze są drobne, które unoszą się w powietrzu i kończą w płucach. Dlatego nawet wiercenie w PCB staram się robić przynajmniej na balkonie.
Drugi powód to zbyt miękkie osie x i y - oparte na paskach. W obrabiarce CNC są to raczej śruby trapezowe.

2. Czy da się tą metodą zrobić płytkę dla gęstego rastra wyprowadzeń?
Macie QFN45 i SOIC127. UPDATE: Da się uzyskać zadowalający efekt w obu przypadkach. Ale widać, że metoda negatywowa daje sobie radę lepiej, natomiast pozytyw wymaga odpowiedniego dobrania nacisku, żeby nie spłaszczać końcówki markera. Trzeba się liczyć z tym, że ona będzie ulegała dość szybkiemu zużyciu.

Negatyw:



Pozytyw:



3. Czy można korzystać z osobnego plotera do tworzenia PCB?

Tak, @PiotrPitucha dodał: Dla tych co nie mają drukarki 3D koncepcja a co ważniejsze praktyczny manual do wykonania płytki.
https://www.instructables.com/id/Drawing-Plotter/

Jeszcze jeden układ prosty jak budowa cepa
https://github.com/ruizivo/GRBL-28byj-48-Servo
i widok przy pracy
https://www.youtube.com/watch?v=oPVc9ixj0iU
Części oczywiście trzeba sobie wcześniej... wydrukować w 3D.

4. Jak długo trzeba czekać na płytkę formatu A5?
To zależy od wielu czynników - od prędkości i ilości linii przede wszystkim. W metodzie pozytywowej krótko - pewnie kilka minut. W metodzie negatywowej z rylcem wszystko dzieje się wolniej i musi być powtórzone 3-7x, żeby się dobrze wytrawiło. Po drodze być może będzie trzeba przetrzeć rylec z nadmiaru zdjętego markera. Obstawiam, że całość może trwać nawet i 2h. Oczywiście z pewnością doświadczony twórca może ten czas optymalizować.

5. Co z metodą laserową?

Można podłączyć laser analogicznie przy pomocy magnesów lub w inny sposób, podobnie jak to robimy z rylcem lub pisakiem. Metoda może mieć swoje atuty jak dokładność i szybkość. Nie jestem pewien czy trzeba nawet podłączać laser do obwodu drukarki 3d. Szybki przeskok pomiędzy punktami docelowymi prawdopodobnie nie wystarczy aby wypalić warstwę lakieru lub mazaka z płytki. Tak więc kolejna metoda nie wymagająca większej ingerencji w sprzęt. Należy jednak zwrócić szczególną uwagę na BEZPIECZEŃSTWO. Taki laser jest w stanie w sekundę permanentnie uszkodzić wzrok.


Dla wytrwałych bonus. Tak też można wykorzystać wykonane modyfikacje:




Na pytania postaram się odpowiedzieć edytując pierwszy post, żeby nie robić bałaganu. Pytajcie, dyskutujmy - może ulepszymy metodę.