Wissenswertes zum leiterplatte fräsen

Beim leiterplatte fräsen werden Kupferbereiche von einer Platte aus Leiterplattenmaterial entfernt, um die Pads, Signalspuren und Strukturen gemäß Mustern aus einem digitalen Leiterplattenplan, der als Layoutdatei bekannt ist, nachzubilden. Ähnlich wie beim gebräuchlicheren und bekannteren chemischen Ätzverfahren für Leiterplatten ist das leiterplatte fräse subtraktiv: Material wird entfernt, um die erforderliche elektrische Isolierung und die erforderlichen Masseebenen zu schaffen.

Im Gegensatz zum chemischen Ätzprozess ist das leiterplatten fräse jedoch typischerweise ein nicht chemischer Prozess und kann als solcher in einer typischen Büro- oder Laborumgebung durchgeführt werden, ohne gefährlichen Chemikalien ausgesetzt zu werden.

Beim leiterplatte fräsen wird die Qualität einer Leiterplatte hauptsächlich durch die echte oder gewichtete Fräsgenauigkeit und -steuerung des Systems sowie den Zustand (Schärfe, Härte) der Fräser und ihre jeweiligen Vorschub-/Drehgeschwindigkeiten bestimmt .

Vorteile des leiterplatte fräsen

Das leiterplatte fräsen hat Vorteile sowohl für das Prototyping als auch für einige spezielle Leiterplattendesigns. Der größte Vorteil besteht darin, dass zur Herstellung von Leiterplatten keine Chemikalien verwendet werden müssen.

Bei der Erstellung eines Prototyps braucht das Auslagern eines Boards Zeit. Eine Alternative ist die Fertigung einer Fräsplatine im eigenen Haus. Hochauflösende Platinen im Nassverfahren sind schwer zu erreichen und trotzdem muss man am Ende noch bohren und schließlich die leiterplatte fräsen aus dem Basismaterial ausschneiden.

CNC-Maschinen-Prototyping kann einen schnellen Turnaround-Plattenproduktionsprozess ohne die Notwendigkeit einer Nassbearbeitung bieten. Wenn eine CNC-Maschine bereits zum Bohren verwendet wird, könnte diese einzelne Maschine beide Teile des Prozesses, Bohren und Fräsen, ausführen.

Viele einfach zu leiterplatte fräsen wären nur sehr schwer durch Nassätzen und anschließendes manuelles Bohren in einer Laborumgebung zu bearbeiten, ohne Spitzensysteme zu verwenden, die normalerweise ein Vielfaches von CNC-Fräsmaschinen kosten.

In der Massenproduktion wird das leiterplatte fräsen das Ätzen wohl kaum ersetzen, obwohl der Einsatz von CNC beim Bohren der Platinen bereits Standard ist.

 

Mechanisches System zum leiterplatten fräsen

Die Mechanik hinter einer leiterplatten fräsen ist ziemlich einfach und hat ihre Wurzeln in der CNC-Frästechnologie. Ein System zum Fräsen von Leiterplatten ähnelt einem miniaturisierten und hochgenauen NC-Frästisch. Zur Maschinensteuerung werden Positionsinformationen und Maschinensteuerungsbefehle von der Steuerungssoftware über eine serielle oder parallele Portverbindung an die integrierte Steuerung der leiterplatten fräsen gesendet.

Die Steuerung ist dann für den Antrieb und die Überwachung der verschiedenen Positionierkomponenten verantwortlich, die den Fräskopf und das Portal bewegen und die Spindeldrehzahl steuern. Spindeldrehzahlen können je nach Frässystem zwischen 30.000 U/min und 100.000 U/min liegen, wobei höhere Spindeldrehzahlen gleichbedeutend mit besserer Genauigkeit sind, kurz gesagt, je kleiner der Werkzeugdurchmesser, desto höher die benötigte Drehzahl.

Typischerweise wird dieses Antriebssystem beim leiterplatten fräsen nicht überwacht Schrittmotoren für die X/Y-Achse, ein nicht überwachter Ein-Aus-Magnet, ein pneumatischer Kolben oder eine Leitspindel für die Z-Achse und ein Gleichstrommotor-Steuerschaltkreis für die Spindeldrehzahl, von denen keiner eine Positionsrückmeldung liefert. Fortgeschrittenere Systeme bieten einen überwachten Schrittmotor-Z-Achsenantrieb für eine bessere Kontrolle beim leiterplatten fräsen und Bohren sowie fortschrittlichere HF-Spindelmotor-Steuerkreise, die eine bessere Kontrolle über einen größeren Geschwindigkeitsbereich ermöglichen.

X- und Y-Achsensteuerung

Für die X- und Y-Achsen-Antriebssysteme verwenden die meisten leiterplatten fräsen Schrittmotoren, die eine Präzisions-Leitspindel antreiben. Die Leitspindel wiederum ist durch eine spezielle präzisionsgefertigte Verbindungsanordnung mit dem Portal oder Fräskopf verbunden. Um die korrekte Ausrichtung beim leiterplatten fräsen einzuhalten, wird die Verfahrrichtung des Portals oder des Fräskopfs mit Linear- oder Schwalbenschwanzlagern geführt.

Die meisten X/Y-Antriebssysteme bieten dem Benutzer per Software eine Steuerung der Fräsgeschwindigkeit, die bestimmt, wie schnell die Schrittmotoren ihre jeweiligen Achsen antreiben.

Steuerung der Z-Achse

Das erste und häufigste ist ein einfaches Solenoid, das gegen eine Feder drückt. Wenn der Elektromagnet erregt wird, drückt er den Fräskopf nach unten gegen einen Federanschlag, der die Abwärtsbewegung begrenzt. pcb fräse Die Absenkgeschwindigkeit sowie die auf den Federanschlag ausgeübte Kraft müssen manuell eingestellt werden, indem die Position des Magnetkolbens mechanisch eingestellt wird. Aufgrund der geringen Zylindergröße und des zum Antrieb verwendeten Luftdrucks besteht nur ein geringer Steuerbereich zwischen den Auf- und Abwärtsstopps. Sowohl das Solenoid- als auch das pneumatische System können den Kopf nur an den Endpunkten positionieren und sind daher nur für einfache Auf-/Ab-pcb fräse nützlich.

Die letzte Art der Z-Achsen-Steuerung verwendet einen Schrittmotor, mit dem der Fräskopf in kleinen, präzisen Schritten nach oben oder unten bewegt werden kann. Darüber hinaus kann die Geschwindigkeit dieser Schritte angepasst werden, um zu ermöglichen, dass Werkzeugbits in das Plattenmaterial eingeführt werden, anstatt hineingehämmert zu werden. Die Tiefe (Anzahl der erforderlichen Schritte) sowie die Abwärts-/Aufwärtsgeschwindigkeit werden vom Benutzer über die Steuersoftware gesteuert.

Eine der größten Herausforderungen bei pcb fräse ist der Umgang mit Schwankungen in der Ebenheit. Da herkömmliche Ätztechniken auf optischen Masken beruhen, die direkt auf der Kupferschicht sitzen, können sie sich an alle leichten Biegungen im Material anpassen, sodass alle Merkmale originalgetreu reproduziert werden.

Bei einer pcb fräse führen jedoch kleinste Höhenunterschiede, die beim Fräsen auftreten, dazu, dass konische Bits entweder tiefer sinken (wodurch ein breiterer Schnitt entsteht) oder von der Oberfläche abheben und einen ungeschnittenen Abschnitt hinterlassen. Vor dem Schneiden führen einige Systeme Höhenkartierungssonden auf der ganzen Linie durch, um Höhenvariationen zu messen und die Z-Werte im G-Code im Voraus anzupassen.