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测试和开发一个用铅笔芯上的电弧在空白 PCB 上切出导线的系统。


介绍
在看到用一个石墨铅笔芯和 9V 电池切割铝箔的把戏之后,我们想知道能否通过相同的方式切割空白 PCB 上的铜进行 PCB 原型快速设计呢?事实证明可以做到这一点,但是需要克服一些挑战。目前我们并没有实际投入到这个项目的开发上来,但是我们希望读者们能够受到启发。

 


这里的基本思想是,在空白 PCB 和由石墨材料制造的铅笔芯组成的“热”电极之间施加一个相对较高的电压,当电极接触到 PCB 上,它和 PCB 之间的电位差会激发产生一个电弧,这个电弧的能量足以切断覆铜板上的铜。当然,在这个过程中石墨铅笔芯会有所消耗,但是它磨损的速度很慢。这是电弧加工的一种应用,它很像切割厚钢板的电弧气刨和电弧切割。


详细信息
和你一样,我们大家都希望能够快速制造 PCB,因为你不可能第一次就能做出百分之百正确的电路来,在调整电路设计时,肯定希望 PCB 能够很快制造出来。我们可以进行蚀刻,但是这种方式的生产效率低,而且需要用有点令人讨厌的化学品。铣削过程也很慢,需要使用昂贵的硬件,而且很脆弱,你得缓慢移动才不至于造成工具破裂。本文这个方案中,石墨材料的电极不需要支撑任何负载,因此可以更快地切割,而且 PCB 板子的固定也很容易(我们使用过胶带固定它,简单吧),机器的结构本身不需要很坚硬,而且我们可以使用非常薄的电极。此外,石墨铅笔芯比轧机工具便宜得多,也不用担心进行 FR2 铣削时会造成的玻璃纤维粉尘。总之,我们认为这种电弧加工方式很有前景,但是还有很长的一段路要走。
 
我们已经了解到这种方案的一些重要事项:

在我们尝试过的所有材料中,石墨电极的效果最好;
电极和 PCB 之间的电压差保持在 30-60V 即可,你可以轻松得到这种电源;
PCB 和电极之间需要轻微的接触才能完成切割。如果推力过大造成压合,这时产生的电弧能量不足以成功切割 PCB。你可以手动操作,找到成功的手感,获得正确的接触,但是使用 CNC 很难把握好接触程度;
0.4-0.8 毫米的铅笔芯电极都可以正常工作;
你可以在水下切割(虽然我们的自来水不是那么导电,但是理想情况下还是用蒸馏水),这样可以极大地方便清理切割残渣。工业电弧加工中通常使用蒸馏水或者油,它们能够有效控制火花并帮助清洗 EDM 设备。

 


在最终使用之前,还有一些需要解决的难题:

需要从 gerber 文件中找出电弧切割的路径,现在有帮助铣削的开源工具,和这里的问题很相近。但是这种切割方式有其特殊性:如果你切割了一个完整的环路后,试图去切割环路里面的区域,这是无法实现的。因此,我们要么在路径生成过程中考虑生产连续性的需求(这里涉及到一些复杂的几何学,所以可能做不到生成保证生产连续性的路径,或者非常难),要么先从一侧切割,再跑到另一侧切割,这样子可能切割质量不好,不过我们还没有尝试过,再要么让负极可以跟着移动,以某种方式保证切割的连续性;
空白 PCB 可能不是那么平(至少我们使用的廉价 PCB 就不平),再加上石墨的消耗,可能需要在运动上进行闭环控制以确保连续性的切割。此外,可能需要使用某种控件来确保石墨电极和 PCB 的“轻微接触。”

还有一些需要注意和认真对待的事情:

把电极放到水中操作会产生明显的电解,如果通风性比较好,氧气和氢气的浓度会比较小,可以忽略不计,但是最好不要在密闭性的空间里在水中操作;
电火花非常明亮,如果眼睛没有戴护具,最好不要看它。从视力保护的角度来看,应该像面对焊接操作那样注意保护眼睛;
持续的火花会喷射出 EM 辐射,因此应该做好屏蔽措施,以免可能干扰其它事物;
操作电压相对较高,功耗也较大(电极上会很热),所以,除非你制造自己在干嘛,否则不要去操作它。
 

对详细硬件信息感兴趣?欢迎点击阅读: https://hackaday.io/project/165466-pcb-fabrication-with-edm

 

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