Jak zoptymalizować obróbkę mechaniczną obwodów drukowanych? - część 2

W tej części artykułu poświęconego obróbce mechanicznej obwodów drukowanych opiszemy najistotniejsze parametry warunkujące czas frezowania oraz zasady poprawnego przygotowania samego procesu. W dalszej części zajmiemy się technikami umożliwiającymi jego optymalizację. Przedstawione informacje pozwolą zredukować koszty obróbki mechanicznej, zachowując jednocześnie wysoką jakość obwodów drukowanych.

Podstawowym parametrem warunkującym koszt frezowania jest długość drogi frezowania (Rys. 1). Jest to bardzo prosta zależność: im dłuższa droga pokonywana przez frez, tym dłuższy czas samego procesu. Aby maksymalnie go skrócić, należy na etapie projektowania przebiegu frezowania unikać zdublowanych przejść narzędzia.

Rys. 1. Frezowanie płytek w panelu o wymiarach 270 x 202 mm – droga ok. 2,5 m.

Kolejnym parametrem kształtującym czas obróbki jest liczba wejść i wyjść narzędzia frezerskiego (Rys. 2). Proces ten dotyczy liczby tzw. „początków frezowania”: frezarka kończąc wycinanie jednego elementu (np. szczeliny), przemieszcza głowicę do nowego punktu, w którym rozpocznie kolejne frezowanie. Liczbę wejść narzędzia można łatwo określić – jest to liczba nieprzerwanych łańcuchów frezowania, wykonanych w obrębie jednego obwodu lub panelu.
W przypadku dużej liczby wycięć, czas potrzebny na wyjście, zmianę położenia głowicy i ponowne wejście w laminat, pomnożony przez ilość początków frezowania, może przekroczyć czas wynikający z łącznej długości frezowanych krawędzi.

Rys 2. Ilość wejść narzędzia frezerskiego (49 wejść).

Najprostszym sposobem skrócenia czasu operacji jest przygotowanie obróbki tak, aby liczba odrębnych łańcuchów była jak najmniejsza. Jest to zadanie dla projektanta obwodum, powinien on starać się wykonywać wycięcia za pomocą jednego przejścia narzędzia.

Przykład optymalizacji frezowania drogą redukcji liczby łańcuchów przedstawiono na rys. 3. Widoczny na rysunku panel składa się z 32 obwodów (układ 8x4), których poziome linie są rylcowane, a pionowe frezowane. Pierwotnie frezowane były tylko odcinki pionowych krawędzi (rys. 3a) obwodów, co przełożyło się na 65 wejść frezu w laminat dla każdego panelu. Po zastosowaniu optymalizacji, polegającej na frezowaniu krawędzi kolumny wszystkich obwodów w jednym przejściu frezu, zredukowano łączną liczbę wejść narzędzia do 17-tu, a więc niemal 4-krotnie (rys. 3b).

(a)

(b)

Rys. 3. Przykład optymalizacji frezowanie - przed optymalizacją (a) i po optymalizacji (b).

Innym czynnikiem wpływającym na czas i jakość frezowania jest liczba zastosowanych narzędzi. Najczęściej podczas frezowania pojedynczego obwodu, konieczne jest zastosowanie więcej niż jednego. Wynika to z różnych wymiarów wycinanych szczelin i krawędzi, a także z rodzaju wycięć, ponieważ frezowaniem wykonywane są wycięcia i szczeliny wewnątrz obwodu, jak i zewnętrzne kształty płytki (rys. 4). Pomimo, że stosowane frezy mogą posiadać te same średnice, to muszą być one wykonywane oddzielnymi narzędziami z uwagi na odmienną kompensację zużycia.

Rys. 4. Frezowanie wewnętrzne i zewnętrzne.

Frezy w trakcie pracy zużywają się, dochodzi do zmniejszenia ich średnicy. Częsta wymiana narzędzi podnosiłaby wielokrotnie koszt obróbki, uniemożliwiając jednocześnie utrzymanie powtarzalnych wymiarów, szczególnie w przypadku produkcji seryjnej. Nowoczesne frezarki CNC dysponują funkcją kompensacji zużycia, która polega na cyklicznym laserowym pomiarze średnic pracujących narzędzi i dostosowaniu toru przebiegu frezu do jego rzeczywistego wymiaru. Oznacza to, że w zależności od kierunku poruszania się frezu jego droga delikatnie przesuwana jest raz na zewnątrz, raz do wnętrza obwodu, aby ostatecznie uzyskać pożądany wymiar końcowy. Dodatkowo operator maszyny po wyfrezowaniu i dokładnym zmierzeniu pierwszego obwodu, ma możliwość korekty kompensacji. Z tego powodu konieczne jest przypisanie innej kompensacji dla frezowania wycięć wewnętrznych i frezowania obrysów obwodu, a więc wykonanie ich odrębnym narzędziem.

Równie istotne ze względu na czas frezowania są średnice zastosowanych frezów. Wynika to z faktu, że wraz ze spadkiem średnic narzędzi, maleje prędkość posuwu narzędzia oraz pojawia się ograniczenie w możliwości frezowania kilku formatów produkcyjnych jednocześnie jednym narzędziem. Wpływ średnicy frezu i odpowiadającej mu prędkości posuwu na czas frezowania pokazano w Tab. 1, która przedstawia przykładowy czas frezowania odcinka o długości 1 m dla różnych średnic narzędzi.

Tab. 1. Czas frezowania a średnica narzędzia.

Jak widać czas obróbki wykonanej najmniejszym dostępnym narzędziem 0,6 mm, a standardowym frezem o średnicy 2,0 mm, jest ponad pięciokrotnie dłuższy. Projektując obwód warto zweryfikować wymiary zastosowanych szczelin i maksymalnie je powiększyć, umożliwiając zastosowanie narzędzia o możliwie największej średnicy.

Najczęściej wymiar zastosowanego narzędzia wynika z zaprojektowania łuków o niewielkim promieniu. Standardowo stosowany frez 2,0 mm pozostawi łuk o promieniu 1 mm. Jeśli konieczne jest zastosowanie mniejszego łuku, to należy zastosować odpowiednio mniejsze narzędzie lub zastosować tzw. podcięcie technologiczne. Ten prosty zabieg pozwala uniknąć stosowania obróbki mniejszym i droższym frezem. Polega on zaś na umieszczaniu w narożnikach obwodów otworów niemetalizowanych. Rozwiązanie takie pozwala na zastosowanie standardowej średnicy frezu, przy jednoczesnym zachowaniu małego promienia w narożnikach (rys. 5).

(a)

(b)

Rys. 5. Narożniki obwodu bez podcięć (a) i po zastosowaniu podcięć (b).

Minimalna średnica zastosowanego narzędzia ma kluczowy wpływ na cenę frezowania, a więc i obwodu, także ze względu na warunkowanie liczby laminatów, które mogą być frezowane tym samym narzędziem równocześnie, w tzw. pakiecie. Im mniejszy przekrój frezu, tym większa jest jego elastyczność i giętkość oraz, co za tym idzie, większe prawdopodobieństwo, że narzędzie ulegnie wyboczeniu lub nawet złamaniu. Zależność liczby laminatów FR4 w pakiecie od ich grubości oraz minimalnej średnicy frezu, która obowiązuje w TS PCB, przedstawiono w Tab. 2.

Użycie narzędzi o średnicach co najmniej 1,5 mm pozwala nie tylko skrócić czas frezowania z uwagi na większą prędkość posuwu, ale także dzięki jednoczesnemu frezowaniu do 4 formatów w pakiecie jednocześnie. Oznacza to, że czas oraz koszt obróbki większej partii obwodów może zmniejszyć się czterokrotnie, biorąc pod uwagę tylko ilość formatów w pakiecie, a dwudziestokrotnie  jeśli uwzględni się dodatkowo różnice wynikające z prędkości posuwu.

Frezy o średnicach powyżej 1,5 mm zachowują odpowiednią sztywność i bez problemu pokonują opór stawiany przez frezowany laminatu FR4. W przypadku konieczności wykonania wąskich wycięć i szczelin w obwodach należy pamiętać, że frezy je wykonujące są bardziej elastyczne i skłonne do wyboczeń, szczególnie dla narzędzi o średnicach poniżej 1 mm. W wyniku tego wycięta szczelina może mieć mniejszy niż założony w projekcie wymiar, a w skrajnych przypadkach także nierówne krawędzie (zwłaszcza dla grubszych laminatów). Może utrudnić to montaż obwodu w obudowie urządzenia. Zaleca się, aby zastosowane narzędzie miało średnicę równą lub większą niż grubość obwodu.

Tab. 2. Porównanie wpływu kilku parametrów na czas frezowania.

W tab. 3 przedstawiono zestawienie wpływu: średnicy frezu, drogi i liczby wejść na czas frezowania przykładowego projektu. Wariant I to optymalny sposób frezowania, dla którego uzyskano najkrótszy czas – 22 min. W wariancie II zwiększono liczbę wejść pierwszego narzędzia, co wydłużyło czas frezowania ponad dwukrotnie. Zwiększenie długości drogi frezowania przy zachowaniu nominalnej liczby wejść obrazuje wariant III, dla którego czas frezowania wzrósł o 7 minut. Ostatni wariant pokazuje czas frezowania dla narzędzi o mniejszej średnicy, przy zachowaniu nominalnej drogi i liczby wejść. W tym przypadku czas frezowania wyniesie 31 min.

Na podstawie danych zamieszczonych w Tab. 3 można powiedzieć, że najlepsze efekty optymalizacji kosztu frezowania, drogą redukcji jego czasu, uzyskuje się poprze minimalizowanie liczby wejść narzędzi w laminat, a więc stosowanie możliwie długich łańcuchów frezowania. Znacznie skrócenie czasu frezowania uzyskuje również poprzez stosowanie frezów o możliwie największych średnicach.

Podsumowanie

W obu częściach artykułu omówiliśmy zagadnienia obróbki mechanicznej obwodów drukowanych. Scharakteryzowaliśmy techniki rylcowania oraz frezowania laminatów, przedstawiliśmy zalety i wady obu metod. W dalszej jego części szczegółowo opisaliśmy frezowanie, jako metodę pozwalającą uzyskać niemal dowolne zewnętrzne kształty obwodów oraz wycięcia wewnątrz nich. Omówiliśmy najistotniejsze parametry warunkujące czaso- i kosztochłonność tego procesu. Zaproponowaliśmy także kilka technik umożliwiających optymalizację frezowania oraz podaliśmy wytyczne, których zastosowanie już na etapie projektowania obwodów pomoże uzyskać wysokiej jakości obróbkę frezowaniem przy zachowaniu ekonomicznej ceny.