Миниатюрный станок с ЧПУ для фрезеровки печатных плат

Актуальность

Каждый электронщик хотя бы раз в жизни сталкивался с необходимостью изготовления своей печатной платы для реализации собственных решений. Что же такое печатная плата? Печатная плата — пластина из диэлектрика, на поверхности и/или в объёме которой сформированы электропроводящие цепи электронной схемы. Она предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов. Существует несколько методов создания печатных плат в домашних условиях.

•          Химический метод: при его использовании в тех местах, где должен быть рисунок, на плату наносится защитный состав. Далее плата погружается в специальный раствор, который разъедает медную фольгу, но не действует на защитный состав. В итоге под защитным составом остаётся медь, которая обеспечивает нужную проводимость;

•          Механический метод: в данном случае используется скальпель (при ручном изготовлении) или фрезерный станок. Специальная фреза делает бороздки на фольге, в итоге оставляя островки с фольгой — необходимый рисунок.

Самым удобным методом изготовления печатных плат в домашних условиях считается химический. Однако далеко не каждый готов разбираться с необходимой химией, а потом избавляться от издержек производства. Для таких людей подойдёт механический метод, хотя он тоже имеет свои минусы. Ручное вырезание дорожек – это весьма времязатратный и трудоёмкий процесс. 

Идеальным вариантом выглядит изготовление плат на фрезерном станке с ЧПУ. Создание систем ЧПУ явилось своеобразным переломным моментом в развитии станкостроения, началом качественно нового этапа: сочетанием высокой производительности, присущей специальным станкам и станкам-автоматам, с гибкостью, свойственной универсальному оборудованию. Трёхосевые фрезерные станки с ЧПУ – самые широко известные. Их используют в основном для производства самых распространённых геометрий. Они просты в программировании и эксплуатации, поэтому затраты на обработку относительно невелики. Именно поэтому фрезерные станки с ЧПУ в наши дни пользуются такой большой популярностью. Однако, несмотря на то что они являются очень удобным инструментом, мало кто может позволить себе подобные станки в частном пользовании из-за их высокой цены. Как и любой другой станок, фрезерный станок с ЧПУ является стационарным и с трудом поддаётся транспортировке.

Именно эти две основные проблемы авторы и попробовали решить, работая над проектом, чтобы предоставить радиолюбителям возможность использования современных технологий обработки материала за приемлемую цену.

Основными преимуществами проекта являются стоимость, доступность и универсальность в сравнении с аналогами.

Цель

Создать миниатюрный фрезерный станок для фрезеровки печатных плат как вручную, так и с применением ЧПУ.

Задачи

Создать универсальный миниатюрный фрезерный станок для фрезеровки печатных плат как вручную, так и с применением ЧПУ.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• 3D- принтер Felix 3.2 и PLA филамент 0,5 кг (1,75 мм)
• Паяльная станция
• Персональный компьютер – 2 шт.
• Шпилька усиленная DIN 976 4x1000 мм
• Трубка алюминиевая 8x1000 мм
• Гайка DIN 934 М6,
• Гайка DIN 934 М4
• Шаговый двигатель 28BYJ-48
• Комплект подшипников
• Arduino Uno R3
• CNC Shield v3.0
• Драйвер шагового двигателя А4988
• Блок питания 12 В/3 А

Описание

Станок представляет собой конструкцию 210 x 200 x 198 мм со стандартным строением, аналогичным другим фрезерным станкам с ЧПУ: рабочая область строго фиксирована, инструмент осуществляет перемещение по трём основным осям (X, Y, Z).

Размеры станка были выбраны с учётом имеющегося у нас оборудования и условия портативности. Для изготовления деталей корпуса была выбрана технология 3D-печати. Все детали каркаса (корпуса) были спроектированы самостоятельно в САПР-программах.

Итоговая модель имеет ручки, которые позволяют работать со станком в ручном режиме. Модель имеет низкий вес, и, как следствие, при работе станок неустойчив на поверхности. Для решения этой проблемы в конструкции предусмотрены специальные пазы, которые позволяют закреплять станок с помощью струбцины. Заготовка крепится на рабочую поверхность станка либо при помощи двустороннего скотча, либо с помощью дополнительных фиксаторов.

Станок не предусматривает конкретного инструмента в своей конструкции. На каретке имеется специальное зажимное крепление, в которое вставляется инструмент. Это позволило значительно снизить цену и увеличить функционал устройства. Для его основного назначения (фрезеровка печатных плат) предлагается использовать гравер с гибким валом в качестве шпинделя.

В качестве моторов авторами были использованы шаговые двигатели 28BYJ-48. Для обеспечения работы станка было принято решение об использовании биполярного подключения. Движение моторов осуществляется благодаря драйверам А4988.

В качестве управляющей платы была выбрана Arduino Uno. Подключение драйверов и шаговых двигателей к плате Arduino происходило через CNC Shield v3.0. В качестве прошивки для станка было решено использовать уже существующий проект Grbl, который разработан для управления ЧПУ-станками. Для управления станком используется программа grblControl.

В результате работы над проектом создан полностью функциональный и готовый к использованию станок с ЧПУ для фрезеровки печатных плат.

Устройство удовлетворяет поставленным задачам, а именно: совмещает низкую стоимость и универсальность использования с небольшими габаритами и возможностью легко транспортировать станок.

Результаты работы/выводы

Разработанное устройство универсально и позволяет производить не только фрезерные обработки.

Фрезерный станок с ЧПУ, который был создан авторами, уже способен выполнять поставленные задачи.

Перспективы использования результатов работы

В планы авторов по развитию проекта входит разработка иных схем конструкции и предоставление инструкций и прошивок для других видов станков.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

НИУ ВШЭ