graveuse LPKF protolaser

Machine combinant une graveuse laser et fraiseuse mécanique pour la fabrication de PCBs.

• Notes en vrac
• Exporter un PCB depuis kicad
• Démarer un nouveau projet
• La disposition (layout)
• scan fields
• workflow
• processing
• phase 1 - gravure PCB+decoupe projet

Notes en vrac

• Pour les outils mecaniques, la machine possède un changeur automatique. Il est possible d'avoir 6 outils simultanément dans la machine (les emplacements sont sur le coté droit). Attention: un emplacement vide n'est pas forcément libre: l'outil peut être dans la tête de fraiseuse. Dans ce cas il ne faut pas mettre un autre outil dans cet emplacement.
• Le logiciel a besoin d'un foret de 1,5mm pour les mires de repérage (fiducials) et un de 2mm pour les amorces de détourage; même si votre PCB ne comporte pas de trous de ce diamètre.
• le logiciel garde en mémoire l'utilisation des outils mécaniques, pour calculer leur usure et prévenir quand il faut les changer. Il faut donc toujours utiliser un même jeu d'outil; et lorsque on remplace un outil, remettre le compteur correspondant à 0 dans le logiciel. Les outils en cours d'utilisation sont soit dans la machine, soit dans la boite en bois à coté de la machine. Ne pas prendre d'outils neuf, sauf s'il faut remplacer un outil en service.
• Lorsque l'on place un outil dans le chargeur d'outil; bien prendre garde de ne pas selectionner un nouvel outil (new tool) dans le menu déroulant mais bien un outil en cours d'utilisation (un dont le pourcentage n'est pas à 0). S'il s'agit effectivement un outil neuf, remettre à 0 le pourcentage.
• Il faut que la plaque de cuivre soit parfaitement propre: des poussières ou traces de colle (résidus de scotch) peuvent perturber la gravure laser.
• La tête mécanique a accès à l'ensemble du plateau, mais la tête laser n'a pas accès à une bande sur la droite. Le logiciel ne prévient pas qu'une partie du projet n'est pas accessible en début de cycle mais seulement au moment d'y déplacer la tête laser. Il faut en tenir compte lorsque l'on place le materiau sur le plateau.
• Dans le workflow, pour chaque phase on peut indiquer s'il faut inverser les chemins d'outils dans les propriétés (properties en bas à gauche - qui n'apparait pas dans l'onglet workflow !)
• Dans les couches, inverse signifie que la couche est en négatif (p.e le vernis)
• Pour définir un nouveau matériau, ici joint le document pour le calibrer https://drive.google.com/file/d/1aiiEEKLoY4rNRjV9LAuTF24pEDxQzHwb/view?usp=sharing 

Exporter un PCB depuis kicad

La procédure est la même que pour la technodrill: Exporter un PCB depuis kicad.

La machine étant plus précise il serait possible de réduire les largeurs de piste et d'isolation; cependant des pistes trop fines et trop raprochées sont fragiles et difficiles à souder. Nous conseillons de garder au moins 0,4mm pour les largeurs de piste (0,6mm si possible) et 0,2mm pour l'isolation.

Lors de la génération des fichiers de fabrication, si vous comptez vernir le PCB il faut ajouter les couches F.Mask et B.Mask au format gerber.

Démarer un nouveau projet

Lorsque l'on lance le logiciel LPKF, il propose de créer un nouveau projet. Il faut commencer par choisir le projet type (template) correspondant à votre PCB. Dans notre cas, c'est un simple face vernis avec les pistes sur le dessous, nous choisissons FR4_simple_face_bottom+vernis. Pour le même sans vernis nous aurions pris Single-sided, bottom.

Ensuite il faut choisir le matériau (type de substrat, épaisseur de cuivre et finition).

Ensuite il faut importer les fichiers gerbers, et associer chaque fichier à chaque couche. En principe pour les fichier générés avec kicad, le logiciel les associe automatiquement mais il faut tout de même vérifier.

Vous pouvez alors passer à l'étape suivante et finir la disposition du projet. Vous pouvez choisir l'étape en utilisant les onglets en haut de la fenêtre mais dans un premier temps il est plus simple de suivre le cheminement logique en cliquant sur le bouton en bas à droite de la page, juste au dessus de la zone des messages.

La disposition (layout)

L'ensemble des couches du projet constituent sa disposition (layout). Il s'agit des couches exportées par kicad mais il y a aussi des couches supplémentaires utilisées par le logiciel. Pour le template utilisé il y a en particulier les couches fiducial, cutinside et projet outline.

cutinside est la couche représentant les découpes intérieures. Dans notre cas il n'y en a pas; le cas échéant il aurait fallu déplacer les tracés de la couche boardoutline vers cette couche (en selectionnant le tracé puis click-droit).

A ce stade la disposition ressemble à ceci

Il est possible de dupliquer des objets, par exemple pour graver en une fois plusieurs exemplaires du PCB. Pour cela sélectionner l'ensemble des objets à dupliquer puis les répéter avec click-droit->XXX. Bien prendre en compte la largeur nécessaire pour le détourage de chaque PCB, qui est au minumum de 2mm.

Nous avons choisis de dupliquer placer 3 exemplaires verticalement avec un espace de 5mm.

fiducial est la couche utilisée pour placer les points de repère (en général 4 trous de 1mm) permettant au logiciel de repositionner précisement le projet entre deux étapes (par exemple après avoir retourné la plaque pour un PCB double face, ou après vernis dans notre cas). S'il n'y a pas d'étape nécessitant de repositionner la plaque, il n'est pas nécessaire d'ajouter de fiducials.

Pour ajouter des fiducials utiliser l'icone

Pour laisser le logiciel ajouter les fiducials utiliser

Ici le logiciel a ajouté 4 fiducials aux 4 coins du projet

projet outline est la couche contenant le contour du projet; ce qui permet de découper dans une plaque plus grande la zone contenant les PCBs+ficucials. Cela permet d'avoir la surface minimale à vernir et de conserver le reste de la plaque pour d'autre projets.

Pour cela il suffit de dessiner un rectangle encadrant les fiducials sur la couche projet outline. Une marge de quelque millimètres est suffisante

scan fields

La machine travaille sur des zones de 30x30mm environ, les scan fields. Pour la réalisation du projet il faut donc le découper en scan fields adjacents avec un léger recouvrement. Il est possible de les définir manuellement mais le plus simple est de laisser le logiciel le faire, en cliquant sur le bouton compute scan fields. 

Dans la foulée on lui demande de calculer les chemins d'outils avec le bouton compute toolpaths.

Les pages suivantes sont laser tools et mechanical tools ou il n'y a rien à changer. On arrive ensuite au worlflow.

workflow

Le workflow représente des différente étapes de fabrication du PCB. Le processus est divisé en phases (ici 3), elles même composées de different travaux (work packages). C'est ici que les outils et paramètres associés sont assignés à chaque travail. En principe il n'y a rien à modifier ici. Il est possible d'y demander de recalculer le parcour d'outil pour une étape, si ce calcul a été oublié dans l'étape précédente. Les étapes suivantes sont un nouveau calcul des scan fields et parcours d'outils (au cas ou quelque chose aurait été modifié dans le workflow) puis le processus de fabrication lui même(processing).

processing

C'est ici que la machine va réelement commencer à travailler, en suivant les phases et étapes du workflow.

Dans notre cas le travail est divisé en 3 phases; entre les phases le PCB devra être retiré puis repositionné sur la machine. Les fiducials et la caméra de la machine permettront de parfaitement repositioner l'origine entre les phases.

Pour chaque phase, les différentes étapes sont détaillées avec des instructions pour l'utilisateur.

phase 1 - gravure PCB+decoupe projet

Cette phase va graver percer les fiducials, graver le ou les PCBs du projet puis détourer le projet, tels que définis dans le layout. Lorsque l'on clique sur start production, le logiciel va tout d'abord vérifier que les outils nécessaire sont disponibles dans le changeur d'outil; et demander de les installer dans le chargeur si nécessaire.

Les outils

A gauche on voit les outils nécessaires; ceux avec un rond noir sont ceux dispobibles dans le chargeur, Dans le cas ci dessus il manque un outil mais comme il faut 7 outils et qu'il n'y a que 6 emplacement dans le chargeur; on ne peut pas les avoir tous en même temps. Dans ce cas il est possible de tout de même lancer la fabrication, et le logiciel nous demandera à nouveau d'installer l'outil quand ce sera nécessaire.

Dans l'example suivant nous allons remplacer, dans l'emplacement numéro 1, le forêt 0,9mm par la fraise contour router de 1mm. Si l'outil à remplacer se trouve actuellement dans la tête de fraisage, il faut commencer par le décharger en cliquant sur la croix entourée d'un rond. Dans notre example l'outil numéro 4 se trouve dans la tête de fraisage (mais ce n'est pas celui ci que nous voulons remplacer).

Tout d'abord retirer l'outil du chargeur et le mettre à sa place dans la boite à outils (qui se trouve en principe à coté de la machine)

Ensuite prendre le nouvel outil dans la boite et le positionner (dans le bon sens, c'est à dire la fraise vers le bas) dans le chargeur

Ensuite il faut indiquer dans le logiciel le changement d'outil: pour chaque position du chargeur un menu déroulant permet de selectionner la référence de l'outil qui s'y trouve. Attention: il faut bien selectionner l'outil en cours d'utilisation (avec un pourcentage en général différent de 0) et non pas un de ceux marqué new tool. new tool est à utiliser uniquement pour les outils neufs; le selectionner pour un outil ayant déjà servi faussera les statistiques d'utilisation des outils.

Installation de la plaque FR4

Ensuite le logiciel va lancer la premiere étape de la phase sélectionnée, à savoir installer la plaque FR4 sur le plateau. Avant de l'installer, il faut bien la nettoyer sur la zone du projet (gomme abrasive + ethanol); les traces de poussière ou de gras peuvent altérer la gravure laser.

Pour faciliter la mise en place, activer le plateau aspirant avec l'icone

Ensuite pour éviter que le PCB ne se déplace lors du détourage, scotcher les 4 bords de la plaque FR4 sur le martyr poreux, et le martyr lui-même sur le plateau de la machine.

Le placement

ensuite il faut indiquer à quel endroit sur la plaque le projet doit être gravé; c'est le placement du projet sur la plaque. Par défaut il est positioné au centre; il faut le déplacer sur un bord pour qu'il reste des chutes de FR4 utilisables.

Si la fenêtre de placement n'est pas ouverte, un clic droit sur la zone de travail permet de l'ouvrir.

Ensuite il faut sélectionner l'onglet processing data. En cliquant sur le cadre noir autour du projet on peut le déplacer sur le plateau.

En double-cliquant sur le plateau on peut déplacer la tête; l'icone permet d'activer un pointeur laser rouge pour se repérer (malheureusement pas très visible quand le capot est fermé). Les flèches en haut à droite permettent de déplacer la tête de manière plus fine. L'icone permet de se positionner sur la caméra au lieu de la tête laser; l'image de la caméra étant visible en bas à gauche.

Perçage, gravure et détourage

Une fois le projet correctement placé, le logiciel va continuer par le perçage des fiducials. Après cela la machine fera une pause pour que l'utilisateur puisse retirer les poussières de la surface, puis procéderà à la gravure laser puis au détourage. A la fin nous obtenons une plaque à la dimension du projet que nous pouvons retirer pour la vernir (voir le tuto: Vernir un PCB).

Erreur

Lorsque la machine détecte une erreur (par exemple le capot est ouvert alors qu'on lui demande un mouvement de la tête) un message apparait en bas. La machine reste bloquée tant que le message n'a pas été aquitté par un clic sur l'icone verte