PCBs Fräsen

Hinweis: Diese Anleitung ist noch "Work in Progress"! Das "perfekte" Ergebnis nach dieser Anleitung steht auch noch aus, es sieht aber schon alles vielversprechend aus!

Voraussetzungen

Der Workflow wurde mit einem RF1000, der Firmware-Version RF.01.37 und einem Dremel 4000 getestet.

Folgende Bugs müssen umgangen werden:

• Find Z-Origin zerstört den XY-Origin und schaltet auf relative Koordinaten um.
• Nach dem Setzen des Z-Origin (und auch des XY-Origin?) darf die Position über die Cursortasten nicht mehr verändert werden, da jede Änderung ab jetzt den Z-Origin verschiebt!
• "Single Step"-Bewegungen per Menü sind keine Einzelschritte sondern vordefinierte Schritte (das ist also kein Bug :-)). Ich empfehle dringend, diese auf echte einzelne Mikroschritte zu konfigurieren, um die notwendige Genauigkeit erreichen zu können. Das geht entweder über die Firmware-Parameter DEFAULT_MANUAL_STEPS_X, _Y und _Z, oder über den Befehl M3100.
• Eagle kann nicht mit positiven Werten für "Z milling down" umgehen (siehe Vorbemerkungen warum die nötig sein können)

Verwendete Fräswerkzeuge:

• RF1000 mit Dremel 4000
• Gravierstichel (V-förmige Fräser) mit 20 Grad Winkel (No-Name aus dem Internet)
• 0.8mm Schaft-Bohrer (No-Name aus dem Internet)
• 2.3mm Fräser (von Proxxon aus dem Baumarkt)

Vorbemerkungen

• Ein wesentlicher Trick ist, die Eintauchtiefe ("Z milling down") so klein wie möglich einzustellen, so dass gerade eben nur das Kupfer weggefräst wird. Tieferes Eintauchen führt nur dazu, dass die Spitze des Stichels abgenutzt wird, wodurch beim nächsten Fräsvorgang (z.B. andere Seite) zu breite Isolationskanäle entstehen (es fehlt die vorderste Spitze, also wird weiter "hinten" gefräst!). Da die Stichel ziemlich spitz sind, liegt das durch "Find Z Origin" gefundene Z=0 tatsächlich schon etwas unter der Oberfläche. Deshalb sind teils sogar positive Z nötig! Hier hilft nur ausprobieren, z.B. mit G-Code in der folgenden Art:

       G90                     ; absolute Koordinaten
       G01 X0 Y0 F100          ; Gehe zum XY-Origin, der sollte also vorher gesetzt sein
       G01 Z1 F100             ; Gehe zügig auf Z=1mm (vorher also Find Z Origin ausgeführt haben!)
       G01 Z0.1 F30            ; 2mm Linie zeichnen bei Z=0.1mm
       G01 X-2 Z0 F30
       G01 Z0.08 F30           ; 2mm Linie zeichnen bei Z=0.08mm
       G01 X-4 Z0 F30
       G01 Z0.06 F30           ; etc.
       G01 X-6 Z0 F30
       G01 Z0.04 F30
       G01 X-8 Z0 F30
       G01 Z0.02 F30
       G01 X-10 Z0 F30
       G01 Z10 F30

Ich verwende übrigens aktuell eine "Eintauchtiefe" von Z=0.

• Es sollte dringend der X-Schlitten mit nur einem Führungswagen verbunden werden und die entsprechende Eistellung im Drucker-Menü gewählt werden. Dadurch wir die Kraft auf die Spitze des Stichels beim Suchen des Z-Origin erheblich reduziert und er taucht dabei weniger tief ins Material ein. Dies erhöht erheblich unsere Wiederholgenauigkeit des Z-Origin-Scans! Bei Bohren können beide Führungswagen verwendet werden, das spielt aber keine große Rolle.

• Ich habe noch spitzere Stichel (10 Grad Winkel), mit denen klappt es aber nicht zuverlässig, da beim "Find Z Origin" die Spitze sich zu weit und zu unreproduzierbar ins Kupfer bohrt.

• Ein sehr wichtiger (und von mir lange unterschätzter) Aspekt ist das saubere Einspannen des Stichels. Ich weiß nicht, ob mein Dremel eine Macke hat oder ob die Spannzangen einfach nicht gut genug sind: fast immer eiert die Spitze des

Stichels leicht hin und her. Das ist gut zu sehen, wenn man den Dremel einschaltet und die Spitze vor dunklem Hintergrund betrachtet. Sie darf auf keinen Fall "doppelt" oder verwaschen erscheinen sondern muss perfekt so spitz aussehen wie im Stillstand. Das bedarf immer viele Versuche (gerne mal 10 bis 20!), bis er perfekt sitzt. Ein Tipp ist auch, die Spannzange nicht zu stark anzuziehen, denn das macht das Ziel gerne unmöglich. Hat man den Stichel korrekt eingespannt, kann man das sogar am Geräusch hören, der Dremel ist dann etwas leiser! Evtl. liegt dieses Problem daran, dass der Schaftdurchmesser meiner Einsätze 3.0mm beträgt, ich aber nur eine Spannzange für 3.2mm besitze.

• Ein weiterer Effekt bzgl. der Laufruhe ist die Umdrehungsgeschwindigkeit. Mein Dremel läuft bei maximaler

Geschwindigkeit etwas unrund, deshalb reduziere ich die Geschwindigkeit leicht. Auch hier kann man wieder nach Gehör gehen, denn es gibt leiserer und lautere Drehzahlbereiche. Für die Fein-Justage sollte man sich aber auf's Auge verlassen, einfach die Drehzahl etwas variieren, bis die Stichel-Spitze besonders "scharf" aussieht.

G-Code generieren

Verwendet wird Eagle 8.0.1 free

• Öffne im Menü Tools / Mill Outlines
• Einstellungen setzen:

• General:

• Device: CNC
• Layer wählen: Top aus, Bottom an, Mirror an
• Generate drills an, Use Rack aus, Only Drills aus
• Tool#1 isolate: 0.1mm (Spitzen-Durchmesser Gravierstichel)
• Overlap isolate/blow-up: 0
• Tool#2 blow-up: 0
• Overlap rub out: 0
• Rub out aus
• Mill board/dim an und auf 2.3mm (Durchmesser für Board-Fräser)
• Pad-Drill, Via-Drill, Hole-Drill: 0.8mm (Durchmesser des Bohrers)

• Z Axis:

• Z milling down: Siehe Vorbemerkungen
• Z drill deep und Z Board Dim.: 2.0mm (etwas mehr als gesamte Platinendicke, nicht zu knapp!)
• Rest scheint leider von Eagle ignoriert zu werden

• Wenn Einstellungen so gesetzt sind, Generate drills und Mill Board/dim ausschalten, dann Einstellungen speichern

• 4 G-Code-Dateien generieren:

• Bottom (wie gespeichert)
• Top (Nur Top-Layer einschalten, Bottom-Layer aus)
• Drills (Only Drills einschalten)
• Board (mil. only Dim. einschalten)

• Dateien für Bottom und Top mit gcode-nachbearbeitung.sh nachbearbeiten, bei Drills und Board nur von Hand

beim ersten Befehl die Feedrate anfügen

• Damit produzierte .gcode-Dateien prüfen (z.B. https://nraynaud.github.io/webgcode/)

Reihenfolge der Fräs-Vorgänge

1. Unterseite Isolation
2. Unterseite Löcher
3. Oberseite Isolation
4. Board

Achtung: Unbedingt auf ausreichend Sicherheitsabstand um den Zielbereich herum zu Halteklammern und Materialrändern achten!

RF1000 vorbereiten

• Umbau auf Fräs-Betrieb
• Im Menü Fräs-Modus wählen, Z-Schalter-Typ auf Circuit stellen
• Im Menü alle Werte für Acceleration auf den niedrichst-möglichen Wert stellen (nicht 0). Dadurch sind die geringen

Feedrates möglich, die wir zum Fräsen benötigen.

Platine und Fräse vorbereiten

• Platine auf Opfer-Sperrholz aufspannen. Das Sperrholz muss nicht überall unterliegen, wichtig ist, dass es

größtenteils im "Zielbereich" unterliegt und (noch wichtiger) unter den Aufspann-Punkten. Ich verwende 3 Klammern. Das Opfer-Holz sollte unbedingt unter der Platine etwas hervorschauen, wo die Klammern aufsitzen, damit auf keinen Fall die Platine am Rand runtergrdückt und damit verspannt wird! Die Klammern auf keinen Fall zu stark anziehen, das führt nur unnötig zu Verspannungen! Eine gerade Kante des Materials muss möglichst perfekt an dem vorderen Anschlag des Frästisches anliegen. Dies definiert uns die Ausrichtung, jede Ungenauigkeit hier führt später zu einer schlechten Passgenauigkeit der beiden Lagen!

• Drucker Homen (Z-Achse muss nicht bis unten gehomed werden, ich unterbreche immer durch Druck von Hand auf den

Z-Schalter, da wir hier diese Referenz nicht benötigen!)

• Einen Stumpfen Metall-Stift in den Dremel spannen (ich verwende eines der Dremel-Tools mit denen man eigentlich etwas

in den Dremel einspannen kann).

• Mit der Z-Achse das Ende des Metall-Stifts ca. 5mm über die Platine bringen, damit man gut zielen kann.

• Im Drücker-Menü per X- und Y-Position an die linke vordere Ecke des Zielbereichs fahren (eher etwas großzügig

vergrößern), dann diesen Punkt per Menü als Startpunkt für den Workpart-Scan wählen. Das ganze für die linke hintere Ecke als Endpunkt wiederholen (wieder eher den Bereich zu groß wählen, dass der Scan etwas über den Zielbereich hinaus geht). Scanraster (DX und DY) auf den kleinstmöglichen Wert stellen. Den Scan starten.

• Nach abgescholssenem Scan den Bohrer einspannen und an die rechte vordere Ecke des Zielbereichs fahren. Dieser Punkt

wird jetzt für die Unterseite unser XY-Origin.

• Per Menü zunächst den Z-Origin suchen lassen. Durch den Bug scheint dadurch zwar auch der XY-Origin dort definiert zu

werden, sicherheitshalber würde ich das aber noch mal per Menü durchführen.

• Per Menü oder besser per Befehl (Repetier-Host oder -Server) an die exakten (!) Koordninaten X2 Y0 fahren (das ist 2mm

rechts außerhalb unseres Zielbereiches, das sollte in unserem "Sicherheitspuffer" liegen!).

• Hier nun ein Loch bohren: Dremel einschalten und auf Z=-2.0mm fahren, dann wieder rausfahren. Dremel wieder

ausschalten. Dieses Loch ist später unsere Referenz für die XY-Koordinaten. Ungenauigkeiten in der Position wirken sich direkt auf die Passgenauigkeit der Lagen aus!

Fräsen der Unterseite

• Auf den Gravierstichel wechseln, an den XY-Origin fahren (G01 X0 Y0) und dort nach dem Z-Origin suchen lassen

• Dremel einschalten und per Menü Datei für Unterseite ausführen

• Wenn fertig, Dremel ausschalten

Bohren der Löcher

• Auf den Bohrer wechseln, an den XY-Origin fahren und dort nach dem Z-Origin suchen lassen

• Dremel einschalten und per Menü Datei für Unterseite ausführen

• Wenn fertig, Dremel ausschalten

Fräsen der Oberseite

• Platine entgraten (feines Schmirgelpapier), umdrehen und neu aufspannen (gleiches beachten wie vorher). Es muss

zwingend die selbe (!) Seite wieder an dem selben (!) Anschlag des Tisches exakt anliegen.

• XY-Origin wiederfinden: Per Positions-Menü so fahren, dass der Bohrer in das Loch, das wir für diesen Zweck am Anfang

gebohrt hatten (außerhalb des Platinenbereiches), hinein geht (bei ausgeschaltetem Dremel!). Hier ist etwas Fingerspitzengefühl gefragt. Der Bohrer darf sich beim wieder herausziehen nicht verhaken o.ä., sonst sitzt er offensichtlich noch nicht genau mittig im Loch. Hier wieder möglichst gut auf die Genauigkeit achten, sonst passen unsere Layer nicht!

• Nun zunächst diese Position im Menü als XY-Origin festlegen, dann an die exakten Koordinaten X2 Y0 fahren. Jetzt sind

wir exakt an der Position auf der Platine, wo wir auf der Unterseite unseren Origin hingelegt hatten. (Positives X ist richtig, spiegelverkehrt denken!)

• Auf den Gravierstichel wechseln. Z-Origin suchen lassen und XY-Origin festlegen.

• Dremel einschalten und per Menü Datei für Oberseite ausführen

• Wenn fertig, Dremel ausschalten

Fräsen des Boards

• Auf den Fräser für das Board wechseln, an den XY-Origin fahren (G01 X0 Y0) und dort nach dem Z-Origin suchen lassen

• Dremel einschalten und per Menü Datei für die Board-Dimensionen ausführen

• Wenn fertig, Dremel ausschalten

Das war's! Ich empfehle, die Platine anschließend vorsichtig mit sehr feinem Schmirgelpapier o.ä. blank zu polieren.