Handleiding Protomat S63 freesboorplotter Enkelzijdige PCB s prototypen In wat volgt wordt een praktische inleiding gegeven tot de LPKF Protomat 63S, de kleinste freesboormachine van ons fablab. Je leert hoe je een enkelzijdige PCB kan prototypen. Dit document behandelt enkel de besturing van de machine voor frees- en boorprocessen. Eerst zal je je ontwerp moeten exporteren uit Altium Designer of andere PCBontwerpsoftware. Consulteer hiervoor de bijhorende tutorial. Complexe en/of grote PCB s kan je sneller maken door te etsen. Hiervoor kan je terecht bij grote broer Protomat 95S/II. Deze tutorial zet je op weg met het prototypen van een XBee Shield voor een Arduino Uno. Download de files voor de tutorial van onze website. Wat je ook doet, raak nooit de onderkant van de freeskop aan! yannick.verbelen@ehb.be v1.0 1
1. Open de beschermkap van de Protomat 63S en schakel de machine in via de aan/uit-schakelaar aan de rechterzijde. Controleer dat het werkbed vrij is, en dat de toolkop onbelemmerd kan bewegen vermits de machine zich bij het opstarten meteen zal callibreren. Figuur 1: De Protomat 63S freesboorplotter voor PCB prototyping. Figuur 2: Aan/uit-schakelaar. yannick.verbelen@ehb.be v1.0 2
2. Open CircuitPro via en wacht tot de software is opgestart. CircuitPro intialiseert automatisch een verbinding met de Protomat 63S. Selecteer de juiste camera wanneer hierom gevraagd wordt. Figuur 3: CircuitPro zoekt verbinding met de Protomat S63. Figuur 4: CircuitPro 1.5. yannick.verbelen@ehb.be v1.0 3
3. Start een nieuw project via in het menu File. Selecteer vervolgens SingleSided uit de lijst met templates en klik OK. Figuur 5: Templates voor diverse types PCB. Selecteer SingleSided. 4. Klik op de knop in de werkbalk rechtsbovenaan. In deze weergave kunnen design files geïmporteerd en bewerkt worden. 5. Klik op de knop in het menu File of via de werkbalkknop links bovenaan en selecteer de map met de outputs die Altium Designer voor je project heeft gegenereerd. Je kan ook individuele bestanden selecteren indien gewenst. Figuur 6: Design files importeren uit de map Project Outputs van Altium Designer. yannick.verbelen@ehb.be v1.0 4
6. Selecteer de bestanden die nodig zijn voor de productie van de PCB, nl. de Bottom Layer (.GBL), de Apertures (.APR), de NC Drill Data (.TXT) en de contour van de PCB (.GM2). Associeer de bestanden met de juiste fases in CircuitPro volgens de configuratie in figuur 7. Klik vervolgens OK. Figuur 7: Configuratie van de design files:.gbl bevat de Gerber Bottom Layer informatie en wordt aan de BottomLayer toegewezen. De Gerber Mechanical Layer met de contour van de PCB hoort bij de BoardOutline fase. De boorinformatie gaat naar DrillUnplated. Let er hierbij op dat het bestand van type Excellon is! yannick.verbelen@ehb.be v1.0 5
7. Scroll in het CAM View venster om uit te zoomen zodat je de volledige PCBomtrek kan zien. Klik op en selecteer RuboutBottom. Klink nu in de linkerbovenhoek van je PCB net buiten de gele contour in het CAM View venster, en verplaats vervolgens je muis naar de rechterbenedenhoek om je PCB te omhullen met een rechthoek. Klik opnieuw net buiten de gele contour om de rechthoek vast te leggen zoals in figuur 8 aangegeven. 8. Klik op de knop en klik nabij de 4 hoeken van je PCB in het CAM View venster, net buiten de rechthoek die je in de vorige stap tekende. Je zou iets moeten bekomen zoals in figuur 8. Klik Close in het venster Create Circle. Je hebt nu 4 gaten bijgetekend die zullen gebruikt worden voor visuele positiebepaling door de ingebouwde camera (fiducials). Je ontwerp zou er moeten uitzien zoals in figuur 8. Figuur 8: Toevoeging van ruboutcontour en 4 fiducials in de vorm van 1.5 mm gaten. yannick.verbelen@ehb.be v1.0 6
9. Klik op de knop om de boor- en freespaden te genereren. Selecteer voor Insulate optie 4/4 (Complete Rubout) en voor Contour Routing optie 5/6 (Corner Gap). Schakel onderaan de optie Pockets uit. 10. Klik op de knop Show Details bij Insulate. Selecteer de frezen Universal Cutter 0.2 mm, Micro Cutter 0.1 mm en End Mill 0.8 mm uit de lijst met beschikbare tools. Vink de optie Generate Optimized Rubout aan, en laat alle andere instellingen op hun standaardwaarden. 11. Klik op de knop Show Details bij Drills en zorg hier dat je Create Marking Drills hebt geactiveerd, met als tool de Universal Cutter 0.2 mm. Een overzicht van de instellingen vind je terug in figuur 9. Figuur 9: Configureren van de instellingen voor het genereren van boor- en freespaden. 12. Klik op Start. Na enige rekentijd wordt een overzicht gegeven van de benodigde tools voor het prototypen van je PCB. Klink Close om dit venster te sluiten. yannick.verbelen@ehb.be v1.0 7
13. Klik op de knop om de instellingen van het toolmagazijn te openen, zie figuur 11. Aan de linkerzijde zie je een lijst met de benodigde tools. Een betekent dat de benodigde tool reeds aanwezig is in het toolmagazijn. Elke tool met een zal je nog moeten toevoegen. Zoek daartoe de benodigde tool in de toolbox en plaats hem in een leeg slot in het toolmagazijn. Wees voorzichtig, sommige tools zijn erg fragiel en breken gemakkelijk! Het toolmagazijn telt slechts 15 posities, dus het is mogelijk dat je eerst een tool die je niet nodig hebt voor de PCB die je wil maken moet verwijderen om een plaatsje vrij te maken. Figuur 10: Wisselen van tools in het toolmagazijn. Neem de tool enkel vast aan de bovenzijde om te vermijden dat de punt afbreekt. De tools kunnen uit het magazijn geklikt worden door ze naar achter te duwen. yannick.verbelen@ehb.be v1.0 8
Selecteer na het fysiek wisselen van de tool ook de juiste tool uit de lijst op de corresponderende positie, zoals aangegeven in figuur 11. Doe dit tot alle tools langs de linkerzijde op staan. Lege posities in het toolmagazijn markeer je door uit de lijst NONE te selecteren. Figuur 11: Configuratie van het toolmagazijn. Alle tools aan de linkerzijde zijn gemarkeerd met en dus beschikbaar in het magazijn. Positie 5 wordt geconfigureerd als een spiraalboor van 1 mm. In figuur 10 zie je hoe de boor geplaatst wordt in het magazijn. Klik op OK als alle tools correct geconfigureerd zijn. CircuitPro wisselt nu naar de Machining View met aan de linkerzijde het bedieningspaneel van de freeskop. yannick.verbelen@ehb.be v1.0 9
14. Open de cover van de machine en plaats een kartonnen plaat ondersteuningsmateriaal op het werkbed. Er zijn 2 gaten voorzien in deze plaat waarmee ze kan vastgeklikt worden in de aligneringspinnen van het werkbed. 15. Zoek nu een stuk copper clad board (blanke PCB zonder blauwe beschermfolie) en schuur dit proper met de donkerrode spons, zoals aangegeven in figuur 12. Je hoeft niet het volledige oppervlak te schuren, enkel een stuk groot genoeg om je PCB op te maken. Schuur tot de koper glanst, en er geen bruine vlekken meer op zitten. Veeg het opgeschuurde stuk vervolgens schoon met papier. Raak het niet meer aan met je vingers om te vermijden dat het meteen weer oxideert! Figuur 12: Opschuren van het copper clad board. yannick.verbelen@ehb.be v1.0 10
15. Plaats de PCB bovenop het ondersteuningsmateriaal en kleef hem langs de hoeken vast op het ondersteuningsmateriaal met tape. Let op: kleef geen tape binnen het bereik van het opgeschuurde stuk waar je je PCB wenst te plaatsen! Figuur 13: Voorbereiden van de machine: het opgeschuurde copper clad board wordt met tape vastgekleefd op het kartonnen ondersteuningsmateriaal, dat via de 2 aligneringspinnen op het werkbed van de machine bevestigd is. yannick.verbelen@ehb.be v1.0 11
16. Klik op om de Board Production Wizard te starten. Klik Start. Het Material Settings venster verschijnt, zie figuur 14. Figuur 14: Configuratie van het copper clad board als FR4 met een koperdikte van 35 µm, een PCB-dikte van 1.6 mm en dikte van ondersteuningsmateriaal van 1 mm. 17. Klik op de knop om de besturingsmodus van de freeskop van Automatic naar Manual te wisselen. Klik nu in het Machining View venster waar de rechterbovenhoek van je copper clad board zich bevindt. De freeskop verplaatst zich naar deze locatie. Klik nu op om deze positie vast te leggen als de rechterbovenhoek van je plaat. Doe hetzelfde voor de linkerbenedenhoek via. 18. Stel de dikte van je copper clad board in bij Material Thickness, dit is 1.6 mm voor een standaard PCB. Meet na met een schuifmaat als je niet zeker bent! 19. Stel de Underlay Plate Thickness in op 1 mm om voldoende veiligheidsmarge te creëren. Een overzicht van de instellingen zie je in figuur 14. Klik Continue. yannick.verbelen@ehb.be v1.0 12
20. Het venster Placement verschijnt. Klik weer op om naar Manual mode te wisselen, en sleep nu je ontwerp binnen de oranje rechthoek die de contouren van je copper clad board voorstelt die je net hebt ingesteld. Kies de locatie zodanig dat hij binnen het opgeschuurde deel van je copper clad board valt, voldoende ver van de randen van het copper clad board, aligneringspinnen en tape verwijdert blijft, en zo weinig mogelijk ruimte verspilt. 21. Klik op de 4 hoeken van je design om de freeskop hier naartoe te bewegen en controleer visueel dat het design op de juiste locatie staat. Vraag de fablabverantwoordelijke van dienst om de configuratie van je ontwerp en van de machine nu te controleren voordat je verder gaat. 23. Sluit de cover en klik Continue. CircuitPro vraagt om je project op te slaan. Doe dit in de Project Outputs map van je Altium Designerproject. De freesboorplotter zal nu een boor nemen om de 4 fiducials op de hoeken van je design te boren. Na het boren zal de Protomat 63S zich trachten te aligneren met deze gaten met behulp van de camera. Figuur 15: Bevestigen van de focushoogte na automatische callibratie. Soms wil het aligneren niet zo best lukken bij gebrek aan voldoende verlichting. Je merkt dit doordat de livestream van de camera een zwart beeld geeft! Wacht in dat geval even tot de software door heeft dat automatisch aligneren niet lukt, en vraagt om de focushoogte te bevestigen met Confirm focus height, zoals in figuur 15. Klik op de knop in het panel voor controle van de freeskop en vervolgens op No om opnieuw te proberen. Als de 2 e poging meer succesvol is kan je Yes klikken om de hoogte te bevestigen. yannick.verbelen@ehb.be v1.0 13
24. De machine gaat nu op zoek naar de 4 aligneringsgaten die net geboord werden om zichzelf uit te lijnen. Als deze niet gevonden worden, verschijnt het venster Alignment, zoals weergegeven in figuur 17. Gebruik de pijltjesknoppen bij X/Ypositioning om de camera te aligneren met het gat dat gemarkeerd is in de Machining View, standaard het gat links onderaan. Je kan de X/Y stapgrootte aanpassen om zo nauwkeurig mogelijk te aligneren. De kwaliteit van je PCB zal hier van af hangen! Een goed gecentreerde fiducial ziet er op de camera uit zoals in de linkerafbeelding van figuur 16 waarbij het gat (donkergrijs) en de gele cirkel exact concentrisch zijn. Figuur 16: Een goed gecentreerde fiducial (links) en een fiducial gedetecteerd door de beeldverwerkingssoftware van CircuitPro (rechts). Figuur 17: Alignering van de camera met de fiducial. Maak gebruik van de knoppen Retry en Find and Center om de fiducial concentrisch te aligneren met de gele cirkel. yannick.verbelen@ehb.be v1.0 14
25. Klik nu op de knop Find and Center in het venster Alignment. De camera zoekt het gat en markeert het middelpunt met een geel kruis, zoals weergegeven in de rechterafbeelding van figuur 16. Klik nu op Accept Current Position. Met wat geluk zal de camera de overige 3 gaten automatisch weten te vinden door het aanpassen van zijn coördinatenstelsel, en aan de slag gaan met boren en frezen. 26. Sit back and relax! De freesboorplotter gaat aan de slag met je design en begint je PCB te prototypen. Hierbij zullen herhaaldelijk boren en frezen gewisseld worden, en kan het soms ook nodig zijn om de fiducials opnieuw te centreren. Afhankelijk van de complexiteit van je PCB kan het hele proces een tijdje duren. Laat de machine nooit alleen tijdens bedrijf! Bij onverwachte problemen zoals afgebroken frezen of verschoven materiaal is het van essentieel belang zo snel mogelijk te kunnen ingrijpen om de schade te beperken. Figuur 18: Verwijderen van stof en bramen na het frezen en boren van de PCB met behulp van een vochtige doek. 27. Na het voltooien van het proces schuift het werkbed naar voren. Open de cover en maak je PCB schoon met een vochtige doek zoals aangegeven in figuur 18. Hierna kan je het copper clad board los maken van het ondersteuningsmateriaal door de plakband te verwijderen, en je PCB dan uit het copper clad board te duwen. Let erop dat er geen stukjes plakband of lijmresten achterblijven. Het ondersteuningsmateriaal mag je gerust op het werkbed laten liggen voor een volgend gebruik. CircuitPro geeft de melding Board Production Finished. Klik Finish. yannick.verbelen@ehb.be v1.0 15