Посмотрев однажды в интернете репортаж о выставке промышленного оборудования, я впечатлился работой электроэрозионного станка, который выпиливал деталь из стальной болванки, и решил пристроить идею к изготовлению печатных плат (не я первый конечно). Самой привлекательной чертой технологии является изготовление платы в одну операцию – положил фольгированный текстолит, достал печатку. Отпадает даже необходимость предварительной очистки заготовки. Второе существенное преимущество – минимальное количество и стоимость расходных материалов, среди которых нет хим.реактивов. По сравнению с вырезанием плат фрезерным станком снижаются требования к прочности и жёсткости каркаса.

Электро-механическая часть

Принципиально устройство достаточно простое – 3D-принтер опускает отрицательный электрод на заготовку, находящуюся под положительным потенциалом. Возникающая при этом дуга, прожигает медный слой в месте контакта. Следующая точка выжигается с перекрытием и таким образом растровое изображение переносится на плату. Тут стоить отметить, что при использовании векторной графики возможна ситуация, когда место подключения заготовки к блоку питания будет отрезано от обрабатываемого участка.
После ряда экспериментов с тыканьем в текстолит разными токопроводящими предметами была разработана электрическая схема.


Я думаю её достаточно несложно повторить при желании. Требуется лабораторный блок питания устойчивый к короткому замыканию на выходе. Если БП без ограничения выходного тока – схему придётся усложнить последовательным включением резистора на 18/3=6 Ом и 18*3=54 Вт. Указанное на схеме напряжение (18 В) было подобрано экспериментальным путём и обеспечивает стабильный результат. При меньших значениях дуга в месте контакта не возникает. Ток в 3 А по всей видимости является избыточным, но достаточным. Требуются дополнительные эксперименты для определения минимального требуемого тока. Электрод должен подключаться к отрицательному полюсу – это уменьшает его выгорание и загадочным образом предотвращает приваривание к заготовке.
Для сборки первоначальной версии устройства понадобилось минуты две. На фотографии несколько усовершенствованная версия.


На картинке можно видеть, что:
- фотоаппарат сфокусировался мимо цели;
- в качестве электрода используется кусок обмоточного провода диаметром 0,7 мм (толстоват);
- электрод свит пружинкой в один виток;
- принтер семейства RepRap не требует вмешательства в конструкцию;
- заготовка закреплена на столе двусторонним скотчем;
- скотч очень плохо отдирается от обезжиренного стекла;
- на заготовку налито несколько капель подсолнечного масла;
- всё вокруг забрызгано отработанным маслом.
Подсолнечное масло поверх заготовки улавливает продукты сгорания меди, предотвращает выгорание текстолита и ограничивает радиус действия дуги. Тонкий слой на поверхности справляется с этими задачами недостаточно хорошо – иногда следом за искрой видна вспышка водорода, образующегося при пиролизе масла. Пламя при этом имеет нежно-зелёный цвет.

Программная часть

Для преобразования печатной платы в набор команд для принтера (G-код) была написана программа с двумя кнопками.


Исходными данными для неё является растровое изображение платы. Чёрный цвет считается изолирующим зазором, остальные – игнорируются. Первая версия программы содержала только четыре настройки. Разрешение – в искрах на миллиметр. Подгорание – укорачивание электрода от одной искры в нанометрах – позволяет компенсировать износ постепенным опусканием электрода по мере печати. Пятно – диаметр электрода в микрометрах (можно установить немного меньше фактического). Разрежение – сокращает количество прожигаемых точек для экономии моторесурса (устарело).
После нажатия на кнопку «Обработать» выполняется преобразование. Лучше начать с картинок поменьше, поскольку обработка идёт довольно долго.

Здесь видно, что из-за слишком большого диаметра электрода остаются перемычки между некоторыми площадками, но более подходящей проволоки, к сожалению не нашлось. Отверстия в площадках так же слишком малы. Красными точками обозначены места опускания электрода. Результат можно скопировать из текстового окна справа в буфер обмена и вставить в программу управления 3D-принтером (например Repiter-Host). G-код должен быть совместим с большинством RepRap-ов.
Для начала работы необходимо вручную выставить электрод в предполагаемый нижний левый угол платы и опустить его до контакта с поверхностью. После запуска электрод будет поднят и перенесён к первой прожигаемой точке. По мере работы высота подъёма будет постепенно уменьшатся в соответствии с настройкой «Подгорание». По этой причине слишком большое значение может привести к сбою процесса.

Результаты

Двадцать минут спустя готовую плату можно достать и сполоснуть от масла.

Здесь видно, что перемычки между круглыми площадками остались, как и было показано программой. Если взглянуть под микроскопом

становятся видны рваные края, которые могут помешать самоустановке деталей поверхностным натяжением припоя, и небольшие повреждения текстолита. Из-за высокой температуры дуги следует использовать для изготовления плат термостойкие материалы (FR-4 или выше).

За и против

Плюсы:
- одноэтапная технология;
- дешёвые и легкодоступные расходные материалы.
Минусы:
- низкая электрическая прочность зазоров из-за загрязнения текстолита и рваных краёв;
- «толстый» техпроцесс

Спустя пару недель технология несколько усовершенствовалась.

Механическая часть

Была добавлена масляная ванна, что немного уменьшило рваность краёв и главное устранило разбрызгивание. Правда, с другой стороны – увеличился расход масла. При работе без масла происходит регулярное приваривание электрода и наплавление на нём капель меди неправильной формы, что приводит к смещению искры в сторону.
Подача электрода возложена на экструдер, который работает значительно быстрее и тише чем ось Z. Из недостатков – требуется предварительный прогрев печатающей головки для обхода защиты от холодной экструзии. Можно конечно модифицировать прошивку принтера, но по многим причинам неохота.
Добавлена направляющая для электрода (игла от шприца), что позволяет использовать проволоку меньшего сечения. Текущая конструкция использует электрод диаметром 0,5 мм. В ходе экспериментов был относительно успешно опробован электрод – 0,3 мм.
Подпружинивание выполнено кривошипом из стальной гитарной струны, имеющей значительно больший ресурс на изгибание чем виток из медной проволоки.

Электрическая часть

Была добавлена схема ограничения энергии разряда. Упрощённый вариант состоит из диода и конденсатора.

Недостатками этой схемы являются: необходимость в резисторе большой мощности (6 Вт) и необходимость компромисса между временем зарядки конденсатора и ограничением выходного тока (скорость против качества).

Доработанная схема отключает ток зарядки конденсатора при замкнутых электродах, что снижает нагрев самой схемы и ограничивает остаточный ток дуги на более низком уровне при сохранении высокой скорости. Резистор на 1500 Ом подзаряжает конденсатор после размыкания электродов и по достижении пороговой величины (около 3-х Вольт) P-канальный полевой транзистор открывает биполярный, который обеспечивает быструю зарядку. Варьируя ёмкость конденсатора можно регулировать количество меди выжигаемой за один раз. Конденсатор обычный алюминиевый с относительно высоким сопротивлением (0,1 Ом). Возможно при дальнейшем повышении быстродействия понадобятся LowESR конденсаторы.
Плата для последней схемы была изготовлена описываемым методом при помощи упрощённой схемы, собранной на весу крокодилами.

Программная часть

Добавлена настройка разрешения исходника.
Реализовано управление экструдером. Опускание электрода осуществляется осью Z или экструдером в зависимости от того, какой параметр задан большим – ход по E или ход по Z. Компенсация подгорания выполняется только для оси Z. Имеются раздельные настройки скорости подъёма и опускания электрода экструдером.
Добавлена настройка плотности (количество искр на диаметр электрода). Большее значение позволяет получить более ровные края, но катастрофически увеличивает время.
Добавлена настройка скорости горизонтального перемещения.
Добавлена функция отражения (актуально для дырочных плат) и поворота.

Алгоритм обработки изменён с растеризации на детектирование контуров дорожек. Теперь программа сама оставляет полигоны в неиспользуемых областях. При этом правда немного потерялась возможность выжигания больших участков.
На результирующем рисунке по центру можно видеть множество вертикальных прожигов вместо тонкой дорожки нарисованной на исходнике. Эта багофича позволяет рисовать широкие зазоры при необходимости.
Исходные дорожки изображены зелёным цветом, остаточные полигоны – тёмно-зелёным.

Достигнутые результаты

После прожига (3,5 часа) выше приведённого рисунка получилась плата драйвера шагового двигателя для строящегося эрозионного станка.

Механика 3Д принтера по всей видимости не позволит изготавливать платы под совсем тонкие микросхемы. Имеется люфт в ремне оси X видимый в виде горизонтального сдвига.
Под микроскопом видно значительное (по сравнению с первыми опытами) выравнивание краёв.

Опыт с электродом 0,3 мм показывает принципиальную возможность изготовления плат под корпуса с шагом 0,63 мм (SSOP, LQFP).

Возможно с некоторой натяжкой даже под шаг 0,5 мм (QFN), при этом ширина дорожек будет 0,2 мм, а зазоров – 0,3.

Вопросы, требующие проработки

На сегодняшний день основная проблема – создание головки, способной оперировать электродом 0,3 мм.

экая ня.
в таком долгом процессе что больше времени занимает? Случаем, не дрыгание Z туда-сюда? А, вижу, экструдером оно дергается. Нет в мыслях попробовать электрод сервой крохотной поднимать/опускать?

PCBWay - всего $5 за 10 печатных плат, первый заказ для новых клиентов БЕСПЛАТЕН

Сборка печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет

Онлайн просмотровщик Gerber-файлов от PCBWay + Услуги 3D печати

Сервопривод это идея, хотя этого мало. Головка должна давать очень маленькое давление на электрод, чтобы не погнуть. Надо как то подпружинить, а для медной проволоки 0,3 мм это должна быть очень нежная пружина со строго осевым давлением.

----------
Программу то забыл выложить.

Новое высоковольтное герконовое реле HR12-V от HONGFA для передовых разработок

Компания Hongfa представляет новое высоковольтное мощное реле HR12-V с нормально разомкнутыми контактами. Герконовые реле имеют ряд преимуществ по сравнению с электромеханическими. Среди них: малый размер, высокая скорость срабатывания, стабильная по характеристикам и взрывобезопасная коммутация цепей и экономичность энергопотребления. Новое реле HR12-V способно коммутировать мощность 100 Вт в цепях постоянного тока, значения которого лежат в области 10 мА/1,5 кВ…1,5 А/60 В. Температура эксплуатации составляет -40…105°C.

Подробнее>>

а электрод обязательно медный?
pogo пины не подойдут?

Широкий выбор электромеханических реле Hongfa – складская программа в Компэл

КОМПЭЛ продолжает поддерживать и расширять список складских позиций Hongfa, представленных электромеханическими реле. Продукция компании активно применяется в таких областях, как промышленность, энергетика, бытовые приборы, автомобильная отрасль и специальная техника, требующая высокой надежности и на сегодняшний момент может легко заменить электромеханические реле ушедших из РФ брендов.

Подробнее>>

В каком- то древнем журнале это было, но там "поднятие/опускание иголки было автоматическим- сама иголка- стальная, двигается в трубке- поверх трубки- намотан электромагнит- при касании иголкой токопроводящей поверхности- иголка начинает "жужжать"- и возникает искра.

Я проводил эксперименты со следующими материалами:

Стальная проволока (относительно мягкая) - приваривается к плате.
Швейная игла - тоже приваривается.
Бронзовая проволока - приваривается (хотя не факт, что она бронзовая - использовал несущую жилу от висьмижильной витой пары).
Графитовый стержень от карандаша - работает хорошо, но есть несколько вопросов, которые надо выяснять.

Коническая заточка бесполезна - конец быстро обгорает до плоского состояния.

Из металлов только медный провод не приваривается (если работает в масле). Возможно, что дело в эффективном охлаждении.

Очень интересный материал, достойный оформления в статью .

Имеет смысл попробовать вольфрамовый электрод, что для аргоновой сварки продаются. Самые тонкие 1мм, останется только заточить и штучно стоят копейки.

С оформлением в статью щекотливый вопрос. Написать недолго (уже 27 дней как написано), а вот с публикацией проблемы. На главной народ опять начинает гадости (заслуженные) потихоньку писать.

С вольфрамовыми электродами давно хотел проверить, но в продаже пока не попадался.

Покопался в интернете. Нашёл свечу зажигания Denso Iridium Power с центральным электродом 0,4 мм. Но стоит 600 рублей, что-то немного жаба давит.

Очень интересный материал!
И огромное поле для дальнейшего усовершенствования: использование гребенчатых импульсов, позволяющих реализовать "безызносный" режим работы с шероховатостью в пару микрон, автосмену электродов разного диаметра, параллельную работу нескольких электродов.

Напрашивается и параллельный проект: переход с электроэрозии на электрохимию.

Я тут всячески пытаюсь избавится от всякой химии лишней, а Вы мне тут предлагаете обратно пойти.

Добавил в программу компенсацию люфта по оси X. Теперь если каретке надо переместится влево, то она сначала переезжает немного дальше, а потом только к цели. При движении в право такого не происходит.

Собрал механику эрозионного станка наконец то


- Двигатели от струйника.
- Рельсы из прямоугольной алюминиевой трубы
- Каркас весь пластмассовый (3D-принтер полезная в хозяйстве вещь)
- Шпильки строительные (на глаз видно, что кривые)
- Ходовые гайки тоже пластмассовые 3Д-печатные

Скорость - можно уснуть пока доедет (но для эрозионного станка должно быть достаточно)
Разрешение - 0,01 мм
Точность по предварительным замерам - 0,05 мм

А фотки плат новые будут ? Ну... шоб 0.2 лапа на дорожку встала.
Мне нравится, пусть хоть всю ночь ковыряет, лишь бы без возни с тонерами и химией.

Плат пока нет, пилю станок.
Приделал головку с электродом 0,4 мм. Приводится двигателем от лотка CD-рома. На холостую работает, под напряжением не пробовал пока. С утончением процесса буду мучаться после того как это всё заработает если повезёт.



Добавляю в программу возможность управления станком. Надеюсь в выходные уже будет тестовый запуск.

Спойлер

Тема меня очень заинтересовала.
Скачал программу pcb_electro.7z, попытался запустить - не запускается, в диспетчере висит 3 процесса pcb_electro.exe.
Процессы не убиваются ни диспетчером, ни processexplorerom, ни из командной строки.
У меня одного так?
И еще вопрос - как реализована подача проволоки через экструдер? Подающий болт не жует проволоку? Проволока не проскальзывает?
Заранее спасибо за ответ.

Програма в этой версии очень простая, она не использует никаких библиотек, фреймворков и специфичных интерфейсов. Обычное Win32 приложение. Возможно причина в том, что она пытается прочитать/записать некоторые файлы в своей папке, а винда или антивирус ей не даёт. Ещё как вариант Вы пытаетесь запустить её прямо из архива, в этом случае тоже может не найти конфигурационные файлы. Режим совместимости с WinXP тоже может помочь. Под Вистой с правами обычного пользователя запускается нормально (из папки Документы).

Проволока не подаётся через экструдер.

Там отдельный механизм подачи допечатан и прикручен на на экструдер.

Я думал пропустить прямо через экструдер, но потом подумалось, что проволока будет изнашивать сопло.


А ещё поздравляю сам себя с запуском станка в эксплуатацию. Сейчас прожигает плату преобразователя напряжения сам для себя. Но головой шевелит ме-е-е-едленно, следующим этапом наверное будет повышение напряжения на двигателях.

А можно фото механизма покрупнее?

Оригинал фотографии чего то потерялся.




На шестерне двигателя экструдера закреплен держатель (одет на торчащий кончик вала двигателя и прикручен маленьким шурупчиком к боковой поверхности шестерни).

В держатель вставлен пружинящий кривошип (тонкая стальная гитарная струна).

На кончике кривошипа петелька, свитая с петелькой на электроде.

К электроду в верхней части припаян гибкий провод.

На каретке закреплен напечатанный держатель.

В держатель втавлена игла от шприца.

Электрод вставлен в иглу.

Сверху в воронку иглы капнуто машинное масло.

У некоторых игл внутренняя поверхность очень шершавая, пришлось полировать, но есть и нормальные.

а по поводу

нельзя ли поподробнее?

1. Карандашный стержень имеет диаметр 0,5 мм (толстоват) и где взять стержни потоньше непонятно.
2. При диаметре 0,5 графит достаточно прочен (даже лучше меди), но как он себя поведёт при диаметре 0,3 непонятно.
3. Я экспериментировал с деревянным карандашом (толстый стержень) и его сопротивление было достаточно маленьким, но при диметре 0,5 - 0,3 оно будет намного выше. Возможно потребуется изобретать специальный зажим для подачи питания сразу к нижнему концу.
4. Не проработан механизм подачи. Тот что нарисован выше для графита не пойдёт.