Fabrication de circuits imprimés avec une CNC

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Le but est de réaliser les différentes étapes de fabrication d'un circuit imprimé avec une machine à commande numérique (CNC ; voir une vidéo ) :

  • on fraise des pistes conductrices sur des plaques d'epoxy recouvertes de cuivre et on perce les vias (trous conducteurs qui permettent de relier les deux faces du PCB) : cela permet de relier électriquement les composants entre eux
  • on dépose de la pâte à souder au niveau des connecteurs des composants ainsi qu'au niveau des vias
  • on fait du "pick & place" avec une pompe à vide : on va chercher les composants électroniques et on les place par dessus la pâte à souder

Il ne reste ensuite "plus qu'à" chauffer le circuit/la pâte à souder pour obtenir un circuit imprimé fonctionnel.

Je dispose d'une CNC "fait maison" d'1m par 1m. Actuellement la CNC ne fait que fraiser, il convient donc de l'améliorer pour pouvoir déposer la pâte à souder et faire du pick & place. Le but est de pouvoir faire des circuits imprimés de très grande taille, sans machines industrielles extrêmement coûteuses. Le projet peut être vraiment intéressant, parce qu'il fait intervenir de nombreux domaines de l'ingénierie. Voici les différentes étapes du projet tel que je le vois :

  • 1) faire une première version du pick & place : tous les composants sont alignés sur une grille à côté du circuit
    • 1.a) la CNC est pilotée par GRBL, un programme open source pour Arduino qui interprète le g-code et pilote les moteurs de la machine. GRBL ne gère que le fraisage, il faut donc le modifier pour qu'il puisse actionner une pompe à vide, grâce à un relai.
    • 1.b) écrire un script capable de générer le g-code correspondant : pour chaque composant, il faut déplacer la pompe au dessus de la grille, descendre, activer la pompe, remonter, se placer au bon endroit sur le circuit imprimé, redescendre puis désactiver la pompe.
  • 2) gérer la distribution de pâte à souder :
    • 2.a) déterminer la solution optimale entre un système de pousse-seringue contrôlé par un moteur pas à pas et un système pneumatique : le premier est plus simple mais moins précis (et en pratique jamais utilisé dans l'industrie), tandis que le deuxième est plus précis mais plus cher et plus compliqué à mettre en place.
    • 2.b) modifier GRBL pour contrôler ce nouvel outil
    • 2.c) écrire un nouveau script pour générer le g-code correspondant
  • 3) faire une version améliorée du pick & place : les composants ne sont plus sur une grille mais dans des rouleaux (conditionnement classiques des composants CMS)
    • 3.a) modéliser puis fabriquer un dérouleur : quand on lui en donne l'ordre le dérouleur doit se "dérouler d'un composant", c'est à dire que le composant suivant du rouleau doit être à la même position que le composant précédent, pour que la pompe à vide puisse venir le prendre
    • 3.b) remodifier GRBL
    • 3.c) puis encore une fois écrire un script générant le g-code
    • 3.d) gérer plusieurs pompes sur le porte-outil : pour plus de rapidité on peut installer deux pompes sur la CNC et diviser par deux le nombre d'aller-retours entre le circuit et le dérouleur

Si nous avons le temps, on peut même commencer une 4ème partie : concevoir de A à Z et fabriquer un four à refusion de grande taille. Une fois les composants placés sur la pâte à souder, il faut quand même chauffer cette dernière. L'idée est donc d'utiliser un four à refusion avec un profil de température. Les étapes du projet seraient donc :

  • 4.a) choix des technologies de chauffe : infrarouge direct ou convection forcée. La première méthode est la plus simple mais consomme énormément d'énergie et n'est pas toujours optimale, tandis que la deuxième est plus compliquée à mettre en place mais meilleure si bien implémentée.
  • 4.b) choix des matériaux et techniques de fabrication : type d'isolation, assemblage des plaques de tôle par soudure ou rivetage, etc.
  • 4.c) modélisation du four (pour des circuits de 600x960mm) en CAO (SolidWorks)
  • 4.d) commande des pièces & fabrication
  • 4.e) configuration et tests, il y a très peu de code à écrire, de nombreuses solutions open source existant pour contrôler des fours à refusion.

N'hésitez pas à me contacter si vous avez des questions.