Gravure de PCB par CNC

NOTE: Ce projet est en cours: j’édite la page au fur et a mesure.

 

J’adore l’électronique, mais faire des circuits est toujours une galère. La meilleure méthode est de les faire réaliser en Chine (Seeedstudio, etc) mais c’est long (et un peu cher). L’Electrolab sait aussi faire des PCB, mais c’est aussi plutot long, et couteux, il faut faire un transparent, insoler, graver, etc.

D’un autre coté j’ai une belle fraiseuse eShapeoko, qui ne m’a pas servi depuis un moment, vu que le bruit qu’elle fait en gravure est incompatible avec la présence d’une toute-petite à la maison.

Je pourrais m’en servir pour faire de la gravure anglaise, mais, le problème du bruit est toujours là, et pour faire des circuits précis il est indispensable que le circuit soit parfaitement plat, car il n’y a que 35 microns de cuivre à enlever. Les meilleurs résultats s’obtiennent en probant la surface du circuit en de nombreux points, et en corrigeant le G-code de gravure pour que l’axe Z suive les ondulations du circuit. Bref, c’est pas commode, et compliqué quand on a peu de temps.

PCB par Gratouillage

Récemment un ami a posté sur la liste du lab un article Hackaday présentant la réalisation de PCBs  avec une imprimante 3D (vidéo youtube, article original).  Comment? C’est très simple justement:

  • On enduit le circuit vierge de marqueur permanent bien costaud qui supporte le perchlo;
  • On remplace l’extrudeur de l’imprimante par une pointe en acier sur ressort, qui gratouille le marqueur là où elle passe.
  • On trempe dans le perchlo / HCl+H2O2, le cuivre est attaqué aux endroits sans marqueur.

Bingo! C’est un des trucs les plus simples qu’on puisse imaginer! Le résultat est bien propre.

J’ai déja presque tout.

  • Un guide de scanner fournit une barre en acier de 8mm bien rectiligne, et très dure. (0E, fond de tiroir)
  • Un coup de touret permet d’obtenir une pointe bien acérée.
  • Un tour chez Weber Métaux (mais ca doit exister sur ebay) pour des paliers en bronze fritté. Attention si les paliers en bronze ne sont pas bien alignés, ca bloque très facilement. L’auteur original a utilisé des roulements, ca doit faciliter l’alignement. Quand je pourrai, je modifierai cette partie. Une chute de tube de cuivre 12/14 devrait aider. (1E chez Weber)
  • Deux équerres, j’ai juste eu a repercer a 12 mm pour insérer les paliers. (0E, fond de tiroir)
  • Des ressorts de compression 8mm diam interne, longueur 70mm (5E chez BHV)
  • Une bague métallique 8mm avec une vis de bloquage. Par pure flemme, j’ai utilisé une butée pour foret a bois, mais on pourrait percer un écrou M10 perpendiculairement, ou utiliser tout autre moyen. (6E chez BHV)

Bref pour le moment, ca donne ça (cliquez pour voir en grand):

La pointe remplace la broche
La pointe remplace la broche
Vue des paliers
Vue des paliers
La pointe meulée et un bout de PCB de test
La pointe meulée et un bout de PCB de test
L'outil terminé
L’outil terminé

Le soft

Niveau soft, c’est aussi très simple. Tout commence par un Gerber, c’est le format de sortie standard de tous les softs de CAO électronique.

Ensuite, toute la magie est faite par FlatCAM, une merveille de l’opensource, un très beau soft en Python que j’ai pu tester sans problème sous windows et Linux Mint.

Copie d'écran de Flatcam, Crédits http://www.lamja.com/?p=635
Copie d’écran de Flatcam, Crédits http://www.lamja.com/?p=635

La seule chose a faire, c’est mesurer la largeur de trait de la pointe, et FlatCAM génère les chemins d’outils pour contourner toutes les pistes. On peut choisir le nombre de passes au cas ou la pointe ne gratte pas assez large.

Après quelques essais, j’estime ma pointe à 0.2 mm de large.

Premiers essais

Une fois la pointe terminé j’ai pu passer aux essais.

J’ai utilisé pour le premier test un ancier design de PCB avec des pistes très fines de 0.25mm et des composants TQFP/QFN.

Résumé des paramètres d’usinage:

  • Position de la pointe pour les gravures: -1 mm
  • Position de la pointe pour les déplacements: 5 mm
  • Vitesse de déplacement: 100mm/min
  • Durée de l’opération: 35 minutes

C’est trop long, la majorité du temps est passée à rétracter la pointe pour les déplacements sans gravure. En plus, j’ai mal paramétré la largeur de la pointe (genre 0.1mm) donc les pistes sont ratées, parce qu’elles sont trop fines.

Premier essai
Premier essai

Paramètres pour le 2e essai:

  • Position de la pointe pour les gravures: -0.5 mm
  • Position de la pointe pour les déplacements: 1 mm
  • Vitesse de déplacement: 500mm/min
  • Durée de l’opération: 10 minutes

Cela a bien mieux fonctionné, mais ne serait pas utilisable, car certaines isolations sont trop fines et FlatCAM n’a pas “pu” passer a certains endroits (Note: on n’en est pas averti, il faut examiner le résultat visuellement). C’est un problème du circuit et non de l’usinage.

La réduction des déplacements en Z a fortement accéléré l’opération.

Premier essai
Deuxième essai

Paramètres pour le 3e essai:

  • Position de la pointe pour les gravures: -0.5 mm
  • Position de la pointe pour les déplacements: 1 mm
  • Vitesse de déplacement: 500mm/min
  • Durée de l’opération: 1 minute 30

Pour cet essai j’ai utilisé des pistes un peu plus larges (0.5 et 0.3 mm) et demandé a FlatCAM de faire deux contours pour chaque piste. J’ai aussi fait attention a bien respecter des isolations réalistes. Le fichier d’usinage est donc censé me fournir un circuit fonctionnel. Voici ce qui s’est passé:

  • La gravure du contour du circuit a arraché le cuivre sur un coté et n’a presque rien gratté de l’autre. C’est la preuve que ma pointe n’est pas de qualité suffisante.
  • Les doubles contours étaient mal superposés
  • La pointe a gratté trop fort le cuivre pendant tout l’essai. Je pense qu’elle s’est bloquée.

A l’issue de ces essais, voici quelques remarques

  • La fixation du circuit au banc de la machine est importante. Parfois même avec du scotch, ca glisse.
  • La planéité n’a pas besoin d’être parfaite, mais quand même, je remarque des variations de largeurs dans le 3e essai.
  • La pointe se coince, elle n’est pas bien redescendue, a cause des paliers mal alignés.

Fiabilisation

EN COURS

Avant toute amélioration je dois absolument fiabiliser la gravure pour obtenir des circuits utilisables.

J’ai fait dans le passé de bons usinages sur du MDF, mais ici, la précision de la CNC est mise a rude épreuve. La machine doit dessiner des objets de quelques dixièmes de millimètres. Je dois vérifier les jeux, les backlashes, la résolution, la reproductibilité…

Meilleure pointe: celle ci a été “tournée” a la main sur un touret, les essais montrent qu’elle n’est pas symétrique. Je pense pouvoir faire mieux mais il faut développer la technique. Une visseuse qui fait tourner la pointe pendant que je la meule devrait le faire. Sinon, je pourrai toujours chercher à hacker une pointe du commerce, par exemple, une pointe a tracer en carbure.

Meilleur outil: Cette étape est un peu complexe. Je souhaite remplacer mes équerres et paliers par quelque chose qui garantit un meilleur alignement. Je vais utiliser un tube dans lequel j’insère les paliers, mais un simple tube de 12 intérieur va gêner la mise en place de la bague de blocage. Je pense que je vais utiliser une combine a base d’adaptateurs de plomberie.

Percages

A FAIRE

Je veux pouvoir faire des trous dans mon circuit. Il faut pour cela changer d’outil.

La méthode simple consiste a recaler l’origine de la machine après le changement. Je n’aime pas du tout cette technique, parce que je risque de déplacer les axes sans possibilité de les remettre précisément en place. Et puis ce n’est pas exact.

La solution que je souhaite mettre en place est une système de fixation d’outil.

Ma broche a un collet standard de diamètre 43mm, il y a des mois que je dois faire une bride de fixation. Une fois la bride prête, il me suffira de faire une pièce tournée de 43mm ext pour fixer ma pointe. Ainsi, je suis sûr que la broche de percage et la pointe seront le mieux alignées possibles.

Fixation du circuit

A FAIRE

Le scotch c’est bien pour rigoler, mais c’est pas propre. A terme, je veux pouvoir graver des tailles standard de circuits, toujours les mêmes. Pour cela je percerai les 4 coins du circuit (au dela de la limite de coupe) et j’utiliserai un martyr doté de picots. Cela évitera complètement les glissements. J’en profiterai pour surfacer le martyr, ce qui améliorera la planéité.

Exemples de tailles: On trouve du PCB en plaques de 10×16 cm. On peut diviser en:

  • 2 plaques de 10×8 cm
  • 3 plaques de 10x5cm (avec une tite chute)
  • 4 plaques de 10×4 cm
  • 4 plaques de 5×8 cm
  • 8 plaques de 5×4 cm

Double face

A FAIRE

Une fois les picots en place, le double face est trivial. FlatCAM sait transformer en miroir les circuits. Une fois la première face terminée, il suffit alors de retourner le circuit, de le réaligner sur les picots, et de graver la 2e face.

Percages V2

A CONCEVOIR

Une fois les picots disponibles, je peux même envisager de percer le circuit en avance, puis… d’activer les trous selon le procédé développé a l’Electrolab. Il ne restera plus qu’a les métalliser… et à les protéger, sinon la métallisation dégagera au moment de la gravure! Je n’ai pas encore de solution pour cela. Peut être qu’il suffira de remplacer le marqueur par autre chose, mais la complexité du projet aura largement augmenté.