Tvorba DPS na gravírovací frézce

Jednou za čas potřebuji vyrobit nějaký „plošňák“. Většinou pracuji s hotovými moduly, nebo na jednoduché věci použiji univerzální desku, podobně jako v u první verze převodníku TTL > HTL. U jednodušších věcí to není problém. Složitější obvody (s kterými zas tolik nepracuji) se stávají nepřehledné. Pokud člověk chce, aby to vypadalo trochu k světu výrobě desky se stejně nevyhne.

Protože „jednou za čas“ je pro mě opravdu třeba jednou za půl roku (nebo ještě déle), musím se vždy učit všechno znovu. Takže celý koloběh – návrh obvodu, kreslení desky je pro mě zdlouhavý. Dříve jsem sem-tam používal Eagle, který je „německy intuitivní“ a měl omezení na desku myslím 80*100 mm. Rozhodl jsem se tedy jít cestou jiného programu. Nijak zvlášť jsem „trh“ nezkoumal a zavadil jsem o program DesignSpark PCB od RS Conponents. Ne že by to byl nějaký můj favorit, nebo bych nechtěl pracovat s jiným programem. Možná jsem mohl stáhnout KiCAD, který je zrovna dost populární. No, možná v druhé vlně… Ale že od RS Components sem-tam součástky nakupuji, přišlo mi to jako dobrá volba.

Každopádně, návrh začíná vždy tvorbou schéma. Schéma se poté převede na DPS. Už ve stádiu schémata je dobré přemýšlet nad jednotlivými vývody (např. integrovaných obvodů, svorkovnic atd.) aby se cesty nekřížily. Pokud je v obvodu použit IO, který má např. 4 stejná hradla, je vhodné je použít tak, aby cesty navazovaly na zbytek obvodu a nemusely se někde křížit pomocí propojek, nebo druhé strany „ťišťáku“. Samozřejmě, funkčnost obvodu má přednost. Zde je schéma převodníku TTL>HTL (verze 3).

Po převodu schéma na DPS je nutné součástky logicky rozmístit na desku. Svorky samozřejmě na kraj desky, napájecí obvody oddělit od ovládacích, silové obvody mít dál od logiky apod. Opět záleží na tom, jak vyhovuje design desky. Pokud bude deska umístěna např. do krabičky, je nutné počítat s montážními otvory k zafixování desky. Ty mají téměř vždy pevnou pozici a nelze je umístit kamkoliv. Jako první krok by mělo tedy být rozmístění vhodných „děr“ na desku. Dále následuje umístění svorkovnic a konektorů. Zbytek obvodu je také dobré logicky rozmístit – dodržovat pravidla pro návrh DPS. Nicméně, pokud není rozmístění součástek kritické, tak je v podstatě jedno, kde co bude.

Pokud je deska hotová, je možné ji vyexportovat, nebo vyplnit prázdní místa mědí. Ta se obvykle připojuje na potenciál -/GND. Slouží pak zároveň jako napájení i jako stínění. Výhoda je, že rozlitá zem vyplní zbytek desky. Je pak pravděpodobné, že nemusíte přemýšlet, kudy propojit zemní potenciál k různým vývodům (pozor na „ostrůvky“ mědi). Nevýhoda je, že se proud courá všude možně po desce a může způsobovat rušení. Ale i to se dá vyřešit vytvořením např. pracovní a stínící země.

Každopádně, pokud jsme s deskou spokojeni, lze ji vyexportovat příkazem Output > Manufacturing Plots. Zde se zvolí co je třeba exportovat – v tomto případě cesty (bottom copper) a díry (drill data). Data pro frézku se exportují do souboru Gerber. Data pro vrtání jsou ve formátu Excellon. Protože soubory dat neobsahují desetinnou čárku, je nutné nastavit počet čísel před a za desetinnou čárkou. V nastavení zařízení jak pro frézování, tak pro vrtání je nutné nastavit Integer:3, Decimal:3, jednotku na milimetry. Data v souboru, např. 120350 budou pak odpovídat hodnotě 120,350 mm. Ještě je nutné v nastavení zařízení u vrtání nastavit volnu Omits zeros na none. Nuly před a za čísly pak nebudou vynechány. Záleží samozřejmě na dále použitém programu a je možné, že bude nutné data vyexportovat s jiným nastavením.

Vyexporuje se bottom copper, tedy vrstva mědi na spodku desky. Na kartě Position je nutné zatrhnout volbu „mirror“, protože deska se kreslí z horní strany a frézuje z dolní. Data pro vrtačku se exportují do souboru Excellon – na kartě Layers je nutné zvolit Through hole, na kartě Position zatrhnout, stejně jako u dat pro frézku, volbu mirror. Stisknutím tlačítka Run dojde k vyexportování souborů drl a gbr.

Vyexportované soubory je potřeba otevřít v programu FlatCam. Zde se nastaví parametry frézování, vytvoří se trasy pro frézku a data se vyexportují jako g-kód. Je nutné vyplnit průměr nástroje a vygenerovat geometrii. Zde je možné, přidat linie, nebo některé odebrat. V nastavení geometrie je nutné nastavit hloubku frézování, výšku nástroje nad deskou, rychlost frézování, průměr nástroje a rychlost vřetene.

V programu se zobrazí trasa frézy. Soubor lze vyexportovat jako g-kód ve formátu .tap. Obdobný převod se provede s vrtacím plánem. Do programu se importuje soubor Excellon ve formátu .drl. Stejně jako u tras pro frézku se nastaví rychlost a výšky nástroje. Data se exportují jako g-kód ve formátu .tap.

Protože frézovaná deska není nikdy úplně rovná (křivost samotné desky, nerovnoměrná vrstva mědi atd.) je třeba použít program, který upraví kód tak, aby si před frézováním desku „oťukal“ a poté provedl výškové korekce. I malý rozdíl výšky desky se hodně projeví v šířce frézované drážky (záleží samozřejmě na použité fréze). Používám tedy program Autoleveller, do kterého vložím vyexportovaný g-kód. Program do něho přidá rutiny pro „oťukání“ materiálu. A upraví kód tak, aby výška frézování kopírovala „naskenovaný“ povrch. U frézky je samozřejmě nutné mít dotykovou sondu.

Část kódu, kterým si frézka oťuká a uloží pozice do registrů:

G0 Z2 
G0 X0 Y0 
G31 Z-1 F100 
#500=#2002 
G0 Z2 
G0 X11.3221 Y0 
G31 Z-1 F100 
#501=#2002

Část původního kódu (najetí frézky dolu do frézovaní pozice a pojezd na dvě další souřadnice):

G01 Z-0.1000 
G01 X68.0090Y2.3580 
G01 X68.0332Y2.3596

Upravený původní kód s korekcí v ose Z podle předem načtených pozic.

#102=[#501+0.9912*#508-0.9912*#501] 
#101=[#502+0.9912*#509-0.9912*#502] 
#100=[#102+0.3343*#101-0.3343*#102] 
G1 Z[#100 + -0.1] 
#102=[#508+0.0127*#515-0.0127*#508] 
#101=[#509+0.0127*#516-0.0127*#509] 
#100=[#102+0.3333*#101-0.3333*#102] 
G1 X15.0952Y10.6566 Z[#100 + -0.1] 
#102=[#508+0.0343*#515-0.0343*#508] 
#101=[#509+0.0343*#516-0.0343*#509] 
#100=[#102+0.3303*#101-0.3303*#102] 
G1 X15.0615Y10.884 Z[#100 + -0.1]

K frézování používám tříosou frézku řízenou programem Mach3 s ESS a s vřetenem s maximálními otáčkami 24000 ot/min. Všechny osy mají kuličkové šrouby a točí s nimi krokové motory se zpětnou vazbou do driveru. Protože chci frézovat i vrtat na jedno upnutí, jako podkladní desku používám ohoblované lipové dřevo. Deska je upnuta plastovými upínkami, které jsou vytištěny na 3D tiskárně. Uvidím, jak se tento způsob osvědčí…

Na desku připojím přes pull-up rezistor kladné napájecí napětí, které je monitorováno frézkou. Hrot frézy je připojen k mínusovému pólu zdroje. Při dotyku klesne napětí, což zajistí uložení aktuální pozice do registru pro korekci výšky. U vrtání není potřeba Autoleveller použít, protože je stejně vrtat skrz celou desku, takže jestli se bude vrtat o desetinu milimetru výš, nebo níž je v podstatě jedno. I když má deska výšku cca 1,5 mm, vrtám do hloubky cca 2,5 mm. Pod deskou je nutné mít měkkou desku, která se provrtá zároveň s DPS.

Po naměření desky přejede frézka do výchozí polohy. Odpojí se kontakty z desky a frézy a spustí se frézování. Frézuji gravírovacími hroty z Číny. Konkrétně se jedná o typ hrotu J3 4501. Tedy 45° hrot o šířce 0,1 mm. Frézuji do hloubky 0,1 mm. Jiné hroty jsem zatím nezkoušel, neboť s tímto je kvalita gravírování docela dobrá.

Během frézování je dobré občas zkontrolovat kvalitu frézování. Otupená fréza povrch desky jakoby trhá. Po dokončení frézování najede frézka do výchozí polohy. Místo frézy upnu vrták (používám 0,6 a 0,8 mm), najedu na nulovou pozici osy Z, zvolím vyexportovaný g-kód a spustím vrtání.

Po dokončení desku začistím „drátěnou“ scotch-brite™ a zkontroluji, jestli nejsou na desce nějaké zkraty. Nakonec ji rozstřihám, zabrousím hrany a osadím. Desku je po osazení nutné očistit od pájedel a zalakovat lakem na DPS. Jinak dochází k rychlé oxidaci.