Τρισδιάστατη εκτύπωση ABS PCB: 6 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:32

Όταν δέχτηκα μια οθόνη 4 ψηφίων-7 τμημάτων στο Teensy μου, αποφάσισα ότι έπρεπε να ξεκινήσω την έρευνα σχετικά με την κατασκευή PCB στο σπίτι με έναν εύκολο τρόπο. Η παραδοσιακή χάραξη είναι αρκετά κουραστική και επικίνδυνη, οπότε το απέρριψα γρήγορα. Μια καλή ιδέα που έχω δει είναι οι τρισδιάστατες σανίδες που λειτουργούν προσθέτοντας αγώγιμο χρώμα στα κανάλια σας, αλλά αυτό φαίνεται αρκετά ακανόνιστο για την αγωγιμότητα. Υπάρχουν επίσης ειδικά αγώγιμα νήματα που θα μπορούσατε να χρησιμοποιήσετε σε έναν εκτυπωτή διπλής εξώθησης, αλλά ψάχνω κάτι βασικό και αποτελεσματικό για τον τυπικό εξοπλισμό που έχω.

Έτσι σκέφτηκα να συγκολλήσω και να τοποθετήσω εξαρτήματα και συνδέσμους σε 3D εκτυπώσεις.

Πριν ξεκινήσουμε, προειδοποιήστε: θα εκτυπώσουμε με ABS καθώς μπορεί να αντέξει +200ºC πριν παραμορφωθεί (έτσι μπορούμε να εφαρμόσουμε προσεκτικά λίγη συγκόλληση πάνω του). Η εκτύπωση με ABS δεν είναι τόσο απλή όσο με το PLA, χρειάζεστε έναν κλειστό εκτυπωτή και βαθμονόμηση πολλών ρυθμίσεων, αλλά μόλις το κάνετε σωστά, το αποτέλεσμα κάνει τη διαφορά.

Για να προσθέσω κάποιο πλαίσιο, στα παραδείγματα δημιουργώ ένα PCB για τον πίνακα wifi ESP8266 12E, ώστε να μπορώ εύκολα να το συνδέσω με οτιδήποτε άλλο αργότερα (ο τελικός στόχος είναι μια οθόνη 4d7seg).

Το PCB θα μου επιτρέψει να χρησιμοποιήσω όλες τις διαθέσιμες καρφίτσες του, ενώ τα περισσότερα modules εκεί έξω έχουν πολύ λίγους εφεδρικούς πείρους ή έχουν πάρα πολλές πρόσθετες λειτουργίες που δεν θέλω πραγματικά (όπως το NodeMCU).

Προμήθειες

• Λογισμικό σχεδιασμού PCB (KiCad εδώ, δωρεάν). Επίπεδο εκκίνησης.
• Λογισμικό τρισδιάστατης μοντελοποίησης (Μπλέντερ εδώ, δωρεάν). Επίπεδο χρήστη.
• Ένας 3D εκτυπωτής (Creality 3D Ender 3 Pro εδώ, περίπου 200 €). Επίπεδο χρήστη.
• Συνιστάται ανεπιφύλακτα ένα περίβλημα στον εκτυπωτή σας όταν χρησιμοποιείτε ABS - Βεβαιωθείτε ότι μπορείτε να εκτυπώσετε με επιτυχία ABS πριν συνεχίσετε αυτό το οδηγό.
• Νήμα ABS (Smartfil ABS, περίπου 20 €/Kg). 3-15 γραμμάρια ανά PCB.
• Βελόνες ραψίματος (πάρτε λίγο από τη μαμά). Το μέγεθος θα εξαρτηθεί από τη διάμετρο των ακίδων των εξαρτημάτων σας. Συνήθως διάμετρο 0,5 mm ή 1 mm.
• Συγκόλληση κασσίτερου και συγκολλητής (περίπου 15 € από τοπικό κατάστημα). Επιπλέον, όλα τα αξεσουάρ που είναι κατάλληλα για συγκόλληση: υποστήριξη συγκολλητή, λάμπα, σανίδα, τσιμπιδάκια, προστατευτικά γυαλιά, μάσκα… εξαρτήματα εξαρτώνται από τον χρήστη, βεβαιωθείτε ότι αισθάνεστε άνετα και ασφαλείς κατά την κατασκευή!
• Πολλή υπομονή, δημιουργικό out-of-the-box μυαλό και μια καλή βάση (προσπαθήστε να ψάξετε στο google και να μελετήσετε πολύ πριν το πιάσετε).

Βήμα 1: Πρωτότυπο & Σχηματικό

Αν δεν ακολουθείτε το σχηματικό σχήμα κάποιου άλλου, θα πρέπει να κατασκευάσετε το ηλεκτρικό κύκλωμά σας σύμφωνα με τις προδιαγραφές του κατασκευαστή. Δοκιμάστε ένα πρωτότυπο κύκλωμα και μόλις το έχετε, σχεδιάστε όλες τις συνδέσεις και τα εξαρτήματα.

Μόλις έχετε ένα σκίτσο και είστε άνετοι με μια σαφή κατανόηση του κυκλώματός σας, λάβετε το λεπτομερώς στο προτιμώμενο λογισμικό EDA που προτιμάτε. Αυτό θα σας βοηθήσει να βελτιστοποιήσετε και να επαληθεύσετε το σχέδιό σας.

Σχεδιάστε το σχηματικό σας σχήμα και χρησιμοποιήστε το ως οδηγό για το σχεδιασμό του PCB σας. Το λογισμικό EDA όπως το Eagle ή το KiCad θα σας επιτρέψει να προσθέσετε τα συγκεκριμένα στοιχεία σας, με ρεαλιστικά pinouts και διαστάσεις, ώστε να μπορείτε να σχεδιάσετε το ηλεκτρικό σας κύκλωμα ακριβώς γύρω από αυτά.

Χρησιμοποιώ το KiCad, το οποίο είναι δωρεάν και αρκετά εύκολο να το καταλάβεις για αρχάριους. Το μόνο που ξέρω είναι χάρη στον Brian Benchoff @ https://hackaday.com/2016/11/17/creating-a-pcb-in… και σε κάποιες σχετικές αναρτήσεις, οπότε ακολουθήστε τις οδηγίες του για να καταλήξετε με ένα ωραίο σχέδιο PCB.

Οι εικόνες σε αυτήν την ενότητα σχετίζονται με:

• Δοκιμάστε το πρωτότυπο για το ESP8266 και μια τετραψήφια οθόνη 7 τμημάτων (προσαρτημένη σε ένα Teensy 4).
• Ένα διάγραμμα καλωδίωσης αναφοράς για έναν πίνακα wifi ESP8266 12E.
• Ένα σχήμα KiCad για τετραψήφια οθόνη 7 τμημάτων που λειτουργεί μέσω του ESP8266 και διαχωριστή τάσης (αυτός είναι ο τελικός μου στόχος).
• Έξοδος σχεδιασμού PCB KiCad.

Βήμα 2: Τρισδιάστατο μοντέλο

Μόλις έχετε ένα σχέδιο PCB σε χαρτί, θα πρέπει να του δώσετε λίγο περισσότερο ρεαλισμό σε ένα λογισμικό τρισδιάστατης μοντελοποίησης. Αυτό θα προετοιμάσει επίσης το αρχείο σας για τον τρισδιάστατο εκτυπωτή σας. Έτσι το κάνω στο Blender:

1. Δημιουργήστε ένα επίπεδο πλέγμα και προσθέστε την εικόνα σχεδιασμού PCB από πάνω. Βεβαιωθείτε ότι είναι σε κλίμακα και οι διαστάσεις είναι ρεαλιστικές, καθώς αυτό θα χρησιμεύσει ως "χαρτί ανίχνευσης".

2. Δημιουργήστε απλοποιημένα στοιχεία δίνοντας ιδιαίτερη προσοχή στην ακριβή τοποθεσία και το μέγεθος των κωδικών PIN που συνδέονται με το PCB σας. Λάβετε τις προδιαγραφές του κατασκευαστή στο διαδίκτυο ή μετρήστε τις μόνοι σας για να τις έχετε αρκετά ακριβείς. Σημειώστε μερικές τυπικές αποχρώσεις που μπορείτε να χρησιμοποιήσετε ως αναφορά:

   1. Για σανίδες χρησιμοποιήστε αεροπλάνα. Για PCB μονής πλευράς χρησιμοποιώ πάχος 1,5mm, καθώς πιο λεπτό από αυτό δεν έβγαλα καλή λεπτομέρεια κατά την εκτύπωση (εξαρτάται επίσης από τις ρυθμίσεις και τις δυνατότητες του εκτυπωτή σας, αλλά θα αναφερθούμε αργότερα). Για PCB διπλής όψης χρησιμοποίησα πάχος 2,5mm.

   2. Για καρφίτσες χρησιμοποιήστε κυλίνδρους, διαμέτρου τουλάχιστον 1 mm, για να καταγραφεί από τον εκτυπωτή.

   3. Για κανάλια χρησιμοποιήστε κύβους, πλάτους τουλάχιστον 1,2 mm. Απλώς θα εξωθήσετε πρόσωπα για να αποκτήσετε τα κανάλια σας.
3. Εντοπίστε τα εξαρτήματά σας σύμφωνα με το σχέδιο του PCB. Εάν τα στοιχεία σας είναι αρκετά ρεαλιστικά, μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε για να ελέγξετε για συγκρούσεις, αλλά πάντα να επιτρέπετε επιπλέον χώρο γύρω από κάθε στοιχείο.
4. Εντοπίστε το ηλεκτρικό σας κύκλωμα. Τοποθετήστε ένα πλέγμα κύβου στη θέση του πρώτου πείρου. Στη συνέχεια, στη λειτουργία επεξεργασίας, εξωθήστε τα πρόσωπα σε ευθεία γραμμή ακολουθώντας το σχέδιο. Και πάλι, κρατήστε το απλό, χρησιμοποιώντας γραμμές 90º και χρησιμοποιήστε όσα κανάλια θεωρείτε. Επίσης, επιτρέψτε τουλάχιστον 0,8 χιλιοστά διαχωρισμό μεταξύ τοίχων ή διαφορετικά θα χαθούν κατά την εκτύπωση. Η εικόνα 1 παρακάτω δείχνει μερικές τροποποιημένες διαδρομές μετά τη μοντελοποίηση με πραγματικές διαστάσεις, καθώς η ιδανική διαδρομή ήταν πολύ λεπτή για να καταστεί δυνατή.
5. Δημιουργήστε το PCB σας προσθέτοντας έναν επίπεδο κύβο (θαμπώνει όπως παραπάνω).
6. Χαράξτε τα κανάλια και τις οπές σας στον πίνακα προσθέτοντας boolean τροποποιητές στο αντικείμενο PCB. Αυτό θα κόψει το τμήμα του πίνακα που τέμνει το αντικείμενο -στόχο του boolean modifier.

Οι εικόνες 3 και 4 δείχνουν το τελικό αποτέλεσμα για τον πίνακα ESP8266 (μοντέλο 3D στην εικόνα 2).

Μετά από αυτό, θα πρέπει να δείτε μια τρισδιάστατη εκτύπωση του PCB σας.

Το τελευταίο βήμα είναι η σωστή εξαγωγή του μοντέλου.

1. Βεβαιωθείτε ότι όλα τα πρόσωπα είναι στραμμένα προς τα έξω ("Λειτουργία επεξεργασίας - Επιλογή όλων" Στη συνέχεια "Πλέγμα - Κανονικά - Επανυπολογισμός εκτός").
2. Βεβαιωθείτε ότι είναι όλα μεμονωμένα πρόσωπα ("Edit Mode-Select All" Στη συνέχεια "Edge-Edge Split").-- Εάν παραλείψετε αυτά τα δύο βήματα, ενδέχεται να βρείτε λεπτομέρειες που λείπουν στο λογισμικό Slicer.--
3. Εξαγωγή ως. STL ("Επιλογή μόνο" για εξαγωγή μόνο του τελικού PCB και "Μονάδες σκηνής" για διατήρηση της κλίμακας των πραγμάτων).

Βήμα 3: Λογισμικό τεμαχισμού

Οι τρισδιάστατοι εκτυπωτές παρέχουν συνήθως ένα λογισμικό "Slicer" για την επεξεργασία των τρισδιάστατων μοντέλων (σε.stl ή άλλες μορφές) και υπολογίζουν την απαραίτητη διαδρομή για την εκτύπωσή του (σε μορφή.gcode συνήθως). Έχω ένα Creality Ender 3 και δεν έχω μετακινηθεί από το Creality Slicer που παρέχεται, αλλά μπορείτε να εφαρμόσετε αυτές τις ρυθμίσεις σε οποιοδήποτε άλλο λογισμικό.

Αφιερώνω μια πλήρη ενότητα στις ρυθμίσεις κοπής, καθώς είναι πολύ σημαντικές κατά την εκτύπωση ABS, η οποία είναι αρκετά δύσκολη λόγω στρέβλωσης, συρρίκνωσης και ρωγμών. Η εκτύπωση PCB βρίσκεται επίσης στο όριο των τυπικών τρισδιάστατων εκτυπωτών λόγω της απαιτούμενης ακρίβειας.

Παρακάτω μοιράζομαι τις ρυθμίσεις που χρησιμοποιώ στο Creality Slicer για λεπτομερή εκτύπωση PCB με ABS. Διαφέρουν από τις τυπικές ρυθμίσεις σε:

• Λεπτοί τοίχοι και στρώματα (για να δώσετε αρκετή λεπτομέρεια - αυτό μπορεί να απαιτήσει δύο επαναλήψεις για το επιθυμητό αποτέλεσμα, εκτός αν είστε ευχαριστημένοι με τις ρυθμίσεις μου).
• Χρησιμοποιήστε μια σχεδία. Το κλειδί βρίσκεται στη βάση, για την οποία πρέπει να προσέξετε ιδιαίτερα. (Επιτρέπω μια μετατόπιση 10 mm από το μοντέλο για να αποφύγω τυχόν ελάχιστη στρέβλωση από την εκτύπωση). Επίσης, δεν υπάρχουν διαχωρισμοί μεταξύ των γραμμών σχεδίας για να επιτευχθεί μια καλή σταθερή βάση. Εάν έχετε τη βάση σας σωστά, όλα είναι έτοιμα. Αν δείτε τυχόν γωνίες να διπλώνουν στη βάση σας, σίγουρα είστε καταδικασμένοι.
• Αργή ταχύτητα. Χρησιμοποιώ περίπου το 1/4 της τυπικής ταχύτητας (αυτό επιτρέπει καλή τοποθέτηση νημάτων και συνεπώς κόλλημα και συνολική ποιότητα).
• Θερμοκρασίες ABS (κρεβάτι: 110ºC, ακροφύσιο: 230ºC)
• Ο ανεμιστήρας είναι απενεργοποιημένος (συνιστάται να διατηρείται σταθερή η θερμοκρασία για το ABS).

Βήμα 4: Εκτύπωση

Τέλος, στείλτε τον.gcode στον εκτυπωτή σας και κατασκευάστε το PCB σας. Μερικές συμβουλές που πρέπει να ακολουθήσετε:

1. Περάστε τον τρισδιάστατο εκτυπωτή σας. Ένα περίβλημα θα διατηρήσει τη θερμοκρασία σας πολύ πιο σταθερή, πράγμα που αποτελεί ισχυρή απαίτηση για εκτύπωση ABS. Βεβαιωθείτε ότι διατηρείτε την CPU και την παροχή ρεύματος έξω από το περίβλημα, καθώς και το νήμα σας. Εάν καταφέρετε να εκτυπώσετε ABS χωρίς περίβλημα, μοιραστείτε το κόλπο σας καθώς με έχει τρελάνει.
2. Προθερμάνετε τον εκτυπωτή σας για λίγο. Στο PLA μπορείτε να εκτυπώσετε αμέσως, αλλά με το ABS η συμβουλή μου είναι να προθερμάνετε με ρυθμίσεις ABS (κρεβάτι: 110ºC, ακροφύσιο: 230ºC) για 10-15 λεπτά, ώστε να δημιουργήσετε τη σωστή ατμόσφαιρα προτού προχωρήσετε και ξεκινήσετε την εκτύπωση.
3. Εκτυπώστε αργά αλλά σίγουρα. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, μείωσα την τυπική ταχύτητα εκτύπωσης στο 1/4 στο αρχείο ρυθμίσεων. Αυτό δείχνει να είναι αρκετά αργό για να έχει ένα καλό αποτέλεσμα, αλλά μπορείτε να διαχειριστείτε την ταχύτητα εκτύπωσης κατά την εκτύπωση ρυθμίζοντας το ρυθμό τροφοδοσίας εάν θέλετε να το βελτιστοποιήσετε λίγο περισσότερο. Απλώς σημειώστε ότι οι υψηλές ταχύτητες θα οδηγήσουν σε πολύ ξαφνικές κινήσεις που δεν θα θέσουν το νήμα αποτελεσματικά ή θα μπορούσαν να συγκρουστούν με το πλέγμα και να το κολλήσουν.
4. Δημιουργήστε μια καλή βάση. Το κλειδί στο ABS είναι να επιτύχετε μια καλά σταθερή βάση. Εάν η βάση αποτύχει και ξεκολλήσει, το μοντέλο έχει φύγει (δείτε μερικές καταστροφικές προσπάθειες παρακάτω). Με τις παραπάνω συμβουλές (περίβλημα, προθέρμανση και αργή ταχύτητα) θα πρέπει να έχετε μια καλή βάση και ένα καλό φινίρισμα. Σε αντίθεση όμως με το PLA, το οποίο αφήνω χωρίς επίβλεψη για ώρες, το ABS χρειάζεται περισσότερη προσοχή.
5. Να είστε σε εγρήγορση, ειδικά στην αρχή. Επαναλαμβάνοντας τα παραπάνω, το κλειδί είναι η βάση. Βεβαιωθείτε ότι το πρώτο εξωτερικό περίγραμμα είναι καλά τοποθετημένο. Αυτό θα οδηγήσει την υπόλοιπη πρόσφυση του πρώτου στρώματος. Μερικές φορές το νήμα δεν κολλάει αμέσως ή σύρεται από τη θέση του. Θα πρέπει να το εντοπίσετε αρκετά σύντομα για να διορθώσετε τυχόν ισοπέδωση ή καθαρισμό της πλάκας βάσης. Προσέχετε πάντα για στρέβλωση, αν δείτε γωνίες να ανεβαίνουν πιθανότατα θα καταλήξουν να ξεκολλήσουν όλη τη βάση και να χαλάσουν ολόκληρη την εκτύπωση. Ακόμα κι αν η βάση παραμείνει στη θέση της, η στρέβλωση θα παραμορφώσει αυτή τη γωνία.

Βήμα 5: Σύρμα και συγκολλητικό

Τώρα ήρθε η ώρα να τα βάλουμε όλα στη θέση τους:

1. Ελέγξτε το φινίρισμα των καναλιών και των οπών. Ειδικά οι οπές χρησιμοποιούνται για να χαθούν ή να επικαλυφθούν από τον εκτυπωτή. Χρησιμοποιήστε βελόνα ραψίματος εάν πρέπει να ανοίξετε ξανά μερικά από αυτά. Φυσικά, εάν δεν έχετε λάβει μια επίπεδη εκτύπωση λόγω στρέβλωσης ή δεν έχετε τις λεπτομέρειες που περιμένατε, ελέγξτε ξανά τις ρυθμίσεις του εκτυπωτή σας ή ακόμα και το τρισδιάστατο μοντέλο για διαστάσεις.
2. Τοποθετήστε τα εξαρτήματά σας. Μονάδες, αντιστάσεις, πυκνωτές ή led που έχουν τις δικές τους ακίδες μπορούν να τοποθετηθούν εύκολα. Μπορείτε να λυγίσετε ελαφρώς το δικό τους καλώδιο για να το περάσετε στα κανάλια, ώστε να είναι πιο εύκολο να τα συνδέσετε αργότερα.
3. Προσθέστε σύρμα και συγκόλληση. Χρησιμοποιήστε τυχόν καρφίτσες ή βραχυκυκλωτήρες που ταιριάζουν στο κανάλι και κόψτε τις κατά μήκος, οπότε απλά πρέπει να κολλήσετε σε συγκεκριμένα σημεία διασταύρωσης. Δεν πρέπει να κολλήσουμε ολόκληρο, αν και έχω την τάση να το κάνω όταν τα πράγματα δεν φωτίζονται.. Στην περίπτωσή μου, έπρεπε να συνδέσω όλες τις καρφίτσες του ESP8266, και εδώ ήταν το κλειδί να έχω καλές δεξιότητες συγκόλλησης (που δεν το κάνω). Το υπόλοιπο του πίνακα ήταν αρκετά απλό να γίνει.

Βήμα 6: Δοκιμάστε τον πίνακα σας

Εάν είστε σίγουροι ότι τα έχετε κάνει όλα καλά, συνδέστε το.

Για την πρωτοτυπία τρέχω το ESP8266 στη σειριακή σύνδεση Teensy 4.

Ενώ έκανα τις δοκιμές στον γυμνό πίνακα, φόρτωσα ένα πρόγραμμα που φόρτωσε την τοπική ώρα μέσω wifi. Όπως μπορείτε να δείτε όλα λειτουργούσαν καλά. Ελπίζω να είχατε ένα καλό αποτέλεσμα επίσης με αυτήν την τεχνική.