Fabrication de prototypes PCB mon marché, finition avec une CNC

Nous avons récemment découvert que le shop en ligne « Seeedstudio » offrait la fabrication de circuits imprimés aux dimensions de 100x100mm pour la somme modique de $9.90 pour 10 circuits (19.80 avec livraison). Il était donc intéressant de passer commande d’un circuit que je n’aurais pas fabriqué sans avoir un prix très attractif.

Dessin et commande du circuit :

Je me lance donc dans un dessin avec le logiciel CAO Eagle (Autodesk), la version limitée à 100x180mm est gratuite pour les utilisations non-professionnelles.

  

Mon projet est un interrupteur basé sur un module Wifi ESP8266, un relai et un module 230V/5V (schéma).

Circuit 2 couches, je vais dessiner des fentes pour mettre le circuit aux normes concernant la tension 230V.

Avant d’envoyer les fichiers au fabricant, je vérifie le contenu avec « gerbv », un logiciel gratuit qui permet de visualiser les couches du circuit.

Le site de commande en ligne de Seeedstudio et d’autres fabricants tels que Eurocircuits permettent également d’effectuer cette vérification en ligne avant de passer la commande, ce qui est très pratique et évite des surprises. Une fois satisfait du contrôle visuel, j’envoie les fichiers gerber (zip) au fabriquant.

Livraison:

Il ne reste plus qu’à attendre la livraison. Attente un peu longue (4 semaines), mais finalement les 10 circuits arrivent et sont d’un état très acceptable.

2017-04-13 11.53.26.jpg

A première vue tout va pour le mieux, les circuits sont propres et correspondent exactement à mon attente. Il ne me reste plus qu’à découper les circuits au format circulaire et avec des entailles pour isoler les pistes 230V. Faire effectuer cette opération aurait juste fait exploser le prix de l’offre, raison pour laquelle je décide d’effectuer cette étape dans mon petit atelier. Vu le nombre de circuits, je vais utiliser ma petite CNC.

Découpe du circuit :

Pour la découpe sur la CNC , j’ai dessiné les contours et fentes dans la couche CAM du logiciel Eagle. Une fonction d’Eagle permet de convertir cette information en format dxf. Ces données doivent maintenant être transformées en commandes pour ma machine (CNC), ceci se fera au moyen d’un logiciel CAO mécanique.

Autodesk a publié dernièrement le nouveau logiciel « Fusion 360 ». Ce logiciel permet la création d’objets 2D et 3D et la génération des fichiers CAM pour une CNC ou pour imprimantes 3D. J’utilisais auparavant divers logiciels, chacun dans un but bien précis, chacun avec des commandes spécifiques ce qui compliquait passablement le travail. D’après la description de « Fusion 360 » je dois pouvoir remplacer tous ces logiciels par ce dernier (fraisage, contournage, perçage) ce qui devrait me simplifier passablement le travail dans l’avenir! Mon petit projet est donc idéal pour apprendre à utiliser et à tester « Fusion 360 ».

Fusion 360:  

La prise en main est plutôt facile si l’on a déjà utilisé des outils CAO auparavant. L’équipe d’Autodesk nous fournis une aide précieuse en tutoriels « YouTube » et en articles en ligne. Le logiciel contient divers modes, l’un pour dessiner et modéliser, l’autre pour générer les données pour la machine qui effectuera le travail (CNC ou autre).

En mode Modèle, j’importe les données de la CAO Eagle au moyen du fichier « dxf » que j’attribue à l’axe Z. De cette façon, le plan du dessin est perpendiculaire à l’axe de travail des outils. Il faut maintenant définir la surface exacte à découper et la largeur des ouvertures (fentes) dans le circuit (Je désire contourner le circuit avec une forme circulaire qui rentre dans le boitier d’un interrupteur mural et de tailler des fentes d’isolation pour la partie courant fort).

Vue du logiciel Fusion 360 et des données du fichier «dxf» importées. Il ne reste qu’à ajuster les éléments graphiques.

Remarque : Avant d’envoyer les fichiers, j’ai ajouté 4 trous qui me permet de centrer le circuit sur ma CNC, en fait il n’en faut que 2, un premier trou comme point de référence (zéro) et un deuxième pour l’orientation dans l’axe x/y. Ces 2 trous sont visibles sur l’image ci-dessus.

Opérations en mode 2D

  1. La fonction « Slot » me permet de donner une largeur aux fentes à fraiser (image de gauche). Je choisis une largeur de 1.5mm correspondant à un outil en stock et je suis les lignes déjà présentes.
  2. Il me reste à ajuster les contours et à corriger les lignes non contigües (image de droite), le travail en mode dessin 2D est terminé.

 

La fonction « extrusion » me permet de donner du volume à mon circuit, j’obtiens ainsi le modèle exact de la forme à découper.

   

A gauche: Les traits continus permettent de délimiter automatiquement la surface.

A droite: Après extrusion on voit le volume de la pièce. La surface supérieure du circuit est définie comme niveau zéro (Z=0). Avec un Z>0 on éloigne l’outil de la pièce, avec un  Z négatif, on taille dans la pièce.

Étapes de fabrication:

Je prévois la découpe en 3 étapes :

  1. Perçage de 2 trous de référence (3mm) dans la plaque martyre de la CNC: (sans circuit), ces trous dans le bois solidaire à la machine me permettent d’y planter 2 tiges de 3mm et d’aligner chaque circuit.
  2. Avec l’aide des 2 tiges, fixer un circuit sur le martyre (avec du ruban autocollant double face)
  3. Lancer le programmer de découpe (J’utilise la même largeur d’outil pour les fentes et pour le contournage, ce qui m’évite de changer d’outils à chaque circuit).
  4. Je répète l’opération 2 et 3 pour les circuits suivants.

Suite à la création du modèle 3d (dessin ci-dessus) et à la définition de chaque étape de fabrication, je bascule en mode CAM dans Fusion 360.

Mode CAM dans Fusion : Dans ce mode, il existe de multitudes de possibilités de générer des donnes CAM

Il me faut :

  1. Drill (perçage)
  2. Slot (fentes)
  3. Contour (détourage de la pièce)

Les données pour le perçage iront dans un premier fichier utilisé qu’une seule fois, les données pour l’étape 2et 3 iront dans un 2ème fichier utilisé pour chaque circuit. Le logiciel permet de visualiser le déplacement de l’outil (simulation) ce qui me rend plus confiant quand à l’exécution du travail.

   

Affichage et simulation du perçage et du découpage. On peut distinguer en grisé la tête de la fraisage et l’outil qui sont définis dans les paramètres outils de « Fusion ».

 

Le logiciel Fusion 360 contient déjà toutes les fonctions pour la génération du fichier à charger sur la machine, entre autres la définition d’un magasin d’outils et les paramètres pour diverses machines CNC, cette phase est la plus difficile à réaliser vu le nombre de paramètres et le vocabulaire utilisé qui m’est inconnu. Sur ma petite CNC, j’utilise le logiciel « MACH3 ». Ce logiciel faisant partie des interfaces supportées par « Fusion » je ne suis donc pas trop inquiet.

Exemple de fichier CNC, on y reconnait les commandes (G-Code) qui vont piloter la CNC.

 

Il me faudra plusieurs itérations entre la CAO et la machine avant de lancer la première découpe. Les premiers essais se font sans outils et sans matière. A ma surprise, les déplacements se font correctement, il n’y a qu’a modifier le paramètre pour la vitesse de déplacement horizontale de l’outil et à enlever un mystérieux code G28 qui semble envoyer la CNC hors limites en fin de programme. L’apprentissage de cette dernière étape me sera utile pour d’autres projets.

Travail sur la machine (CNC).

2017-04-15 14.13.36.jpg     2017-04-15 14.14.13.jpg

  1. Perçage des trous de référence                    2. Ajustement du circuit sur la machine (martyre)

2017-04-15 13.47.17.jpg   2017-04-15 14.18.56.jpg

3. Circuit après découpe.                                                                       4. Circuit nettoyé

Suit le nettoyage, enlever les bavures et les restes de ruban double face.

J’ai finalement traversé toute la chaine des outils depuis le dessin jusque à la pièce découpée.

2017-04-14 00.01.56.jpg

Dernière étape, souder les composants et mise sous tension.
Tout a fonctionné du premier coup !!!

Rolf Ziegler (4/2017)

CNC GRBL

Les imprimantes 3D se sont démocratisées ces dernières années. Une grande partie des modèles « amateurs » sont basées sur des cartes à micro contrôleur Arduino. Les firmewares utilisés interprètent un protocole de commande très proche du code G utilisé pour les machines d’usinage à commandes numériques appelées CNC.

Il n’y a donc qu’un pas à faire pour utiliser ce même hardware et pouvoir piloter une machine 3 axes et en faire une fraiseuse numérique par exemple ou une graveuse (découpeuse) laser.

C’est ce qui a été développé par la communauté et donné naissance au firmware GRBL. J’utilise depuis une année la version 0.9j et maintenant la version 1.1 est disponible pour des cartes à micro contrôleur Atmega328 ou Atmega2560 type Arduino.

Comme pour les imprimantes 3D il faut encore ajouter des contrôleurs de moteurs. Le hardware utilisé est le même que pour les imprimantes 3D. Pour les cartes Mega2560, j’ai utilisé la fameuse RAMPS 1.4. Pour la fraiseuse, j’utilise la plus petite carte CNC shield, voir ci-dessous.

CNC-V3-1

Il faut encore de la mécanique 3 axes. Pour ma part j’ai hésité longtemps à fabriquer mon propre assemblage, mais lorque j’ai vu le prix du système ci-dessous, j’en ai fait l’acquisition; il s’agit du modèle Sable CNC 2015 . J’en suis très content. On trouve également la broche avec un moteur DC.

CNC

Voilà, le hardware est assemblé, le câblage réalisé, il faut encore un logiciel pour envoyer les commandes « code G » pour piloter la machine. Pour cela j’ai utilisé Universal G code Sender, un logiciel simple mais efficace; il y a aussi cette version dite « classic ».

GCodeSender version PlateForm
GCodeSender version PlateForm

Plus tard, une fois bien familiarisé avec la machine, j’ai utilisé le logiciel bCNC, un logiciel bien abouti. Il permet également de calibrer le plan XY par palpage matriciel. Etant écrit en Python, je vous conseille d’installer la version 2.7 de Python ainsi que le plugin seriel pour Python.

bCNC, un magnifique logiciel !
bCNC, un magnifique logiciel !

Ce logiciel permet de fraiser par contourage des circuits imprimés. Je l’utilise avec des fichiers importés directement depuis le logiciel CAO de Target.

En conclusion, je n’ai pas encore tout découvert, mais cette évolution des CNC’s pour des amateurs devient très intéressante. Merci à Gaël pour ses précieux essais.

 

Laurent Francey (1/2017)