Proyecto 39.4

Como Hacer PCB´s con una Fresadora CNC

Publicado el 23 de febrero de 2018Actualizado el 5 de abril de 2018. He corregido algunos bugs y añadido más información.

En el siguiente proyecto veremos como hacer PCB´s con nuestra fresadora CNC.

Para ello me he basado en el tutorial que Luis Díaz de bq ha redactado para la Cyclone (puedes leerlo aquí) al que he añadido algunas notas de mi cosecha.

Vamos a necesitar un programa CAD para el diseño del esquema y la PCB y con otra aplicación convertiremos los archivos Gerber en G-code.

Para el diseño del esquema y de la PCB he utilizado KiCad v4.0.7 en Win10. KiCad es gratuito y multiplataforma.

Para crear los archivos G-code a partir de la PCB he utilizado FlatCAM v8.5 en WinXP; a la hora de escribir estas líneas FlatCAM solo está disponible para ordenadores de 32 bits.

No voy a entrar en explicaciones sobre cómo diseñar placas con KiCad, mucho mejor que yo lo ha hecho el equipo de KiCad en este tutorial. Si que voy a añadir un par de consejos para mejorar el acabado de la tarjeta; usar un ancho de pista lo mayor posible y normalizar pads y taladros.

Para empezar con algo sencillo, vamos a fresar una PCB de una sola capa.

He diseñado una fuente de alimentación con el regulador de tensión L7812, para una grúa con IceZUM Alhambra.

Al final de la página dejo los archivos del esquema, la PCB y los Gerber para que hagáis pruebas.

En este punto debemos tener terminado el esquema y partiendo del esquema diseñaremos la PCB. Distribuimos los componentes de forma similar a como van a quedar en la PCB y seleccionamos la capa B.Cu.

Vamos a Pcbnew para diseñar la PCB y como dice el tutorial es una buena idea comenzar definiendo la separación y el ancho de pista mínimo. Para ello vamos a Reglas de Diseño → Reglas de diseño → Editor de clases de red y ponemos el Ancho de pista y Diámetro vía en 1,6 y Taladro vía 0,8 y aceptamos.

Trazamos las pistas y conectamos todos los componentes.

Otra modificación que mejora el acabado de la PCB es normalizar todos los pads y taladros. Lo podemos ir haciendo a medida que vamos dando forma la PCB o cuando ya esté terminada. Para modificar el pad, situamos el cursor sobre el pad y pulsamos la tecla E. En el menú Esclarecer selección, seleccionar el pad.

Ponemos todos los pads del mismo tamaño que el ancho de pista, así obtendremos una geometría de líneas rectas, facilitando el fresado.

Forma: Rectangular Tamaño X: 1,6 Tamaño Y: 1,6 luego en el menú Taladros ponemos Forma: Taladro circular y Tamaño X: 0,8.

Estos valores son orientativos, utilizadlos como una primera aproximación, se pueden ir modificando de acuerdo con las características de la PCB, de la fresadora, de como vayan saliendo las tarjetas,...hasta obtener los mejores resultados.

Si veis que las pistas y los pads quedan muy estrechos, se puede aumentar el ancho de pista hasta los 2,0 mm y normalizar todos los pads a forma rectangular de 2 x 2 mm de lado.

1. Generar archivos Gerber

Una vez finalizada la PCB, vamos a generar los archivos Gerber para cada capa.

Desde KiCad, abrir la herramienta Pcbnew y cargar el archivo de la placa haciendo clic en el icono.

Estas son las capas necesarias para realizar una PCB típica de 2 capas:

Como nuestra PCB es de una capa, de todas las que se listan en la tabla solo vamos a exportar la capa inferior de las pistas B.Cu.

Ir a Archivo → Trazar. Seleccione Gerber como el Formato de gráfico y selecciona la carpeta en la que poner todos los archivos Gerber. Marcar la capa B.Cu como se muestra en la imagen.

Continúa haciendo clic en el botón Trazar. Se muestra un mensaje indicando que la creación del archivo es correcta..

A continuación hacemos clic en Generar archivo de taladros.

Configuramos las opciones como en la imagen y clic en Archivo de taladrado.

Se muestra un mensaje indicando que la creación del archivo es correcta. Cerramos la ventana.

2. Como crear G-code para fresar PCBs

Ya tenemos los archivos Gerber, ahora hay que convertirlos a G-code, para ello vamos a utilizar FlatCAM.

2.1. Importar Archivos

Como nuestra PCB es de una sola capa, tendremos un archivo de capa de taladros y otro con la información sobre las pistas.

En primer lugar vamos a importar el archivo de taladros. Para ello, dirígete a File→Open Excellon y seleccionamos el archivo *.drl. En la ventana de representación gráfica verás los taladros de la pcb.

Después, importamos la capa que contiene la información sobre las pistas. Dirígete a File→Open Gerber y selecciona el archivo con extensión *.gbr. Sobre los taladros aparecerá la capa con la disposición de las pistas.

En la pestaña Project tenemos cargados los archivos pistas y taladros.

La forma de trabajar con FlatCAM es la siguiente. En la pestaña Project seleccionamos el archivo con el que vamos a trabajar y en la pestaña Selected se muestran unas opciones u otras dependiendo del archivo que hemos seleccionado.

2.2. Mirror

Lo primero que vamos a hacer es voltear horizontalmente el archivo de taladros y el de las pistas, para que al fresar quede correctamente orientado.

Ir a Tool→Double-Sided PCB Tool

En el recuadro Bottom Layer seleccionar el archivo de taladros *.drl y poner las opciones como en la imagen. Luego clic en Mirror Object. Después seleccionar el archivo de las pistas *.gbr y clic en Mirror Object.

Al girar los archivos desaparecen de la imagen. Clic en Zoom Fit

2.3. Offset

Lo siguiente es corregir el offset. Como se aprecia en la imagen ambas capas están desplazadas con respecto al origen de coordenadas.

Para que se vea mejor el desplazamiento he dibujado dos líneas azules sobre la imagen. Las coordenadas donde se cruzan nos dan una valor aproximado de la desviación de las capas.

Para corregirlo hay que llevar ambas coordenadas lo más próximas al origen pero quedando por encima y a la derecha de los ejes X e Y.

En la pestaña Project seleccionamos el archivo de las pistas. Vamos a la pestaña Selected.

En el ejemplo tenemos un offset -aproximado- de (-200,-113) luego hay que sumar 200 en el eje X y 113 en el eje Y. De esta forma quedan valores positivos y próximos a cero. Introducir los valores en la casilla Vector y clic en Offset.

Hacer lo mismo para la capa de taladros. Veréis como ambas capas se desplazan al origen de coordenadas.

2.4. Generar archivo G-code para los taladros

Volvemos a la pestaña Project, seleccionamos el archivo taladros, luego clic en Selected. Poner los valores como en la imagen.

En Tools seleccionamos los diámetros. La casilla debe ponerse en azul.

Si hemos normalizado todos los taladros al mismo diámetro, solo aparece uno.

Si tenemos taladros de varios diámetros seleccionar todos haciendo clic con el ratón y la tecla ctrl a la vez.

Cut Z: Poner una profundidad ligeramente superior al espesor de la PCB.

Travel Z: Altura del eje Z cuando se desplaza de un punto a otro de la PCB.

Poner una altura suficiente para que la broca salve los posibles obstáculos.

Feed rate: Velocidad a la que penetra la broca.

Tool dia: Diámetro de la broca.

Hacer clic en el botón Generate del menú Create CNC Job.

Aparece sobre la imagen la trayectoria que describe la herramienta para mecanizar los taladros.

Y en la pestaña Project aparece un nuevo archivo terminado en .drl_cnc.

Ir a Project y seleccionar el archivo .drl_cnc.

Ir a la pestaña Selected. En el cuadro Tool dia poner el diámetro de la broca.

Dwell: Esta opción introduce un retardo en segundos para permitir al spindle alcanzar la velocidad de trabajo. Marcar esta opción solo si tenemos un spindle controlado con el shield CNC mediante código G.

Clic en Update Plot

y en Export G-Code.

Seleccionar la ruta donde se guarda el archivo G-Code, poner un nombre y añadir la extensión .gcode. Ya tenemos el archivo G-Code para los taladros.

Con el software CAMotics podemos simular el funcionamiento y verificar que el archivo se ha creado correctamente.

2.5. Generar archivo G-code para las pistas

Volvemos a la pestaña Project y seleccionamos el archivo Gerber de las pistas.

Luego ir a la pestaña Selected y poner los valores como en la imagen.

De todas las opciones del menú las que nos interesan son las referentes a Isolation Routing que es el método que vamos a utilizar para crear la PCB.

Como indica el nombre se trata de eliminar material en el contorno de la pista.

Tool dia: diámetro de la fresa.

Width: número de pasadas.

Pass overlap: Fracción del diámetro de la herramienta para solapar cada pasada. Valores menores aumentan el tiempo de fresado y la calidad del mismo, mientras que valores mayores disminuyen tiempo y calidad.

Dentro del menú Isolation Routing hacemos clic en Generate Geometry

Sobre el contorno de las pistas aparece la trayectoria de la herramienta.

La fresa recomendada es una fresa en V a 60º con un diámetro de 0.2 mm.

Mi experiencia después de fresar algunas PCB´s es que se obtienen mejores resultados con una fresa en V a 30º con un diámetro de 0.1 mm en la punta y normalizando las pistas y los pads a 2,0 mm y con una profundidad de corte Cut Z: -0.1

Al final de la página dejo los enlaces al sitio donde he comprado ambas fresas, ya me diréis que tal os ha ido a vosotros.

En la pestaña Project aparecen dos nuevos archivos .gbr_iso1 y .gbr_iso2 correspondientes a la geometría de las dos pasadas.

Ir a la pestaña Project y seleccionar el archivo .gbr_iso1 luego ir a Selected.

Poner los valores como en la imagen.

De todos los menús, el que nos interesa es Create CNC Job.

Cut Z: profundidad de corte. Poner un valor igual o una décima superior al espesor de la capa de cobre que queremos eliminar.

Si no sabemos el espesor de la capa de cobre, ir probando de menor a mayor espesor hasta que el resultado sea óptimo.

Travel Z: altura para movimiento seguro del eje Z cuando se desplaza por la PCB.

Feed Rate: Velocidad de desplazamiento de la herramienta durante al fresado. Un valor entre 60 y 80 debe ser adecuado para una CNC doméstica.

Tool dia: diámetro de la fresa.

Clic en Generate dentro del menú Create CNC Job.

Repetir el proceso para .gbr_iso2.

En la imagen de las pistas aparecen en azul las dos trayectorias que describe la cnc para eliminar el cobre alrededor de las pistas y crear así el circuito impreso.

Y en la pestaña Project vemos que se han creado correctamente los archivos .gbr_iso1_cnc y .gbr_iso2_cnc

Ya tenemos todo listo para crear el archivo G-Code con las trayectorias de la fresadora. El proceso es el mismo que hicimos más arriba con el archivo .drl_cnc.

Ir a la pestaña Project, seleccionar el archivo .gbr_iso1_cnc luego ir a la pestaña Selected.

Verificad que el diámetro de la fresa es correcto y clic en Update Plot y en

Export G-Code.

Seleccionar la ruta donde queremos que se guarde el archivo G-Code, poner un nombre y añadir la extensión .gcode.

Listo, ya tenemos el archivo G-Code para las pistas. Repetir el proceso para .gbr_iso2_cnc.

Al final del proceso debemos tener tres archivos G-Code, uno con los taladros y dos con las dos pasadas que efectúa la fresadora para eliminar el cobre.

Podemos simular con CAMotics que el archivo de las trayectorias se ha generado correctamente.

3. Enviar los archivos a la CNC

Ya solo queda preparar la PCB y enviar el archivo a la CNC. Para ello vamos a utilizar la aplicación Gcode Sender.

Abrimos el Universal Gcode Sender, conectamos el Arduino al PC, seleccionamos el puerto COM que corresponda y clic en Open.

Llevamos la CNC a la posición Home, en los tres ejes y pulsamos en Reset Zero.

La posición Home para el eje Z es aquella donde la fresa hace contacto con el material.

Clic en Browse para seleccionar el archivo iso1.gcode.

Clic en Send para enviar el archivo a la CNC, la máquina comenzará a fresar la PCB.

Cuando la máquina termina el trabajo, vuelve al origen de coordenadas en XY, pero no en Z. Hay que llevar el eje Z al origen, donde hace contacto con la PCB y clic en Reset Zero.

Clic en Browse para seleccionar el archivo iso2.gcode.

Clic en Send para enviar el archivo a la CNC, la máquina hará la segunda pasada..

Cuando la CNC termine de fresar la PCB vuelve al origen. Procurando que no se mueva, cambiar la fresa por una broca de 0,8 mm para hacer los taladros. La broca dependerá del tipo de router o spindle que utilice la CNC.

En mi caso tengo una Dremel 3000 y las brocas que utilizo tienen un cuerpo de 3,2 mm y la broca de 0,8 mm en el extremo.

Llevar el eje Z al origen; donde la broca hace contacto con la PCB y clic en Reset Zero. Seleccionar el archivo drills.gcode y enviarlo a la CNC. La máquina comenzará a mecanizar los taladros.

Una vez la CNC termine el trabajo de fresado, la tarjeta no suele tener buen aspecto. Con papel de lija muy fino Nº 0 se puede eliminar la rebaba y los restos de viruta que hayan quedado. También se puede repasar con un cúter los surcos de ha hecho la fresa, para eliminar posibles restos de cobre.

A continuación unas imágenes de algunas PCB´s que he fresado. La primera es una tarjeta de interface entre unos microswitches y la IceZUM Alhambra para una grúa con IceZUM Alhambra. La segunda tarjeta es un driver para tiras de ledes RGB hecho con transistores MOSFET.