CNCによるPCBの作成その1

Instructablesだったか、ちょっと失念したがPCBの作成を3dプリンタでケガキでやっていたので、自分もやってみた。PCBをマジックインクで黒く塗りつぶし、とがった金属でケガキパターンを作成するという方法。自分は3DPrinterではなく、自作のCNCに6mmロッドの先端をグラインダで尖らせたものを使った。


方法は説明より、Videoを見ていただければ一目瞭然と思います。その結果は


こんな感じですが、ルーペで見るとちょっと実用にはならないかな?という感じです。マジックインクが乾くと、金属の針でケガクとどうしても割れが生じ、直線はギザギザになってしまう。
今回は失敗ですが、マジックインクを選択し、割れが生じないものを選べばいいかもしれない。

CNCがやっと完成の域に

 

長い間放っていたCNCがやっと完成の域に達しました。ProxxonのマイクロXYテーブルとドリルスタンドを利用し、3Dプリンタで打ち出したパーツを多用しました。

YテーブルがDefaultでは非常に短く、実用に耐えないので、Yテーブルの延長も3Dプリンタで打ち出しました。本来ならアルミの切り出しで新たに作り直すべきですが、ツールもないので、Webで検索したらアルミブロックで延長部分だけを追加している方がいた。これだ!と思いアルミではなく3d プリンタできれいに打ち出せば同じものが作れると思い、やってみた。この人はy軸のモーター側のベアリングホルダー兼ストッパーを延長yテーブルに変更し、ストッパを無くしているが、いい考えだ。自分はモーターの反対側にyテーブルを約30mm延長した。4回ぐらいカット&トライで作り直したが、うまくいった。メーカ側の設計図を見つけられなかったので、実体をカリパーで測定したが、どうも測定して3Dプリントすると、測定誤差とプリント誤差とが重なり、かなり違うものができてしまう。したがって、カット&トライがどうしても必要になる。可動部分が54㎜から70㎜となり、何とか実用に耐えるようになった。本来なら100㎜×100㎜くらいは欲しいところだが・・。今回はY軸の向こう側に延長したが、必要なら反対側にも同様に増設すれば、100mmにはなりそうだ。その際にはまた6Φの全ねじロッドが必要になるが。

Y軸の拡張部分
Y軸の拡張部分

白のPLAで出力したので、非常に目立つ。逆ねじのM6の送りロッドは長さが足りなくなったので、順ねじのM6に交換し、それに伴い内部の送りナットも順ねじに交換。(12Φの丸棒にM5 の下穴をあけM6でタップを切った。)

Y軸拡張2
Y軸拡張2

Z軸はずいぶん無様な形状をしているが、スピンドルモータの重量や切削時の横ブレに打ち勝つ強度を保つためにはこの程度の厚みと構造が必要だと思い、こんな箱状になってしまった。

Z軸
Z軸

一番苦労したのはZ軸。20Φの柱を何とか利用したかったので、LMF20UUを中国サイトから入手。異常に大きいのでかなりびっくりしたが、上下に2個つけた。入手してから気が付いたが、鍔のないLM20 を使って、ストッパーを3Dプリントしてもよかった。摺動部分はこれだけでは心もとないので、3Dプリンタのあまりの部品で6Φのリニアベアリングとスムースロッドで補助。

Z軸モーター
Z軸ステッピングモーター

すべての軸のステッピングモーターは秋月で一番安い¥800のギア付き。42㎜角ではこれが一番トルクが大きい。このモーターの性能/価格は中国のサイトでもかなわない。ただ、ギア付きなのでこれをうまく外す必要がある。そのためにギア抜きツール(AMAZONで入手)を使用した。このツールは強力で、ギアがきれいに抜ける。

撮ったビデオの容量が大きくUpladできないのでビデオをコンバージョンしたら映像と音声が同期しない現象が起きた。

まだ、穴あけしかテストしてないが、同じ基板に2度穴あけをしてみると全く同じところに、ドリルが通るので、バックラッシュも無いようだ。次はエンドミルを入手し基板パターンの切削をトライしよう。エンドミルは中国サイトに注文中。今は切削用モーターにはProxxonのハンドルータを使っているが、最高の20000rpmで連続で稼働させると音が非常にうるさい。 ブラシレススピンドルモーターが欲しいが、中国のサイトでも5000円から10000円くらいでなかなか踏ん切りがつかない。自作という手もあるがネオジムローターの入手が難しそうだが。さらにエンドミル用のコレットチャックをうまくつけられるかが難しそう。20000rpm以上で回そうとするとほんの少しの偏芯でも気になる。

やはり音と映像が同期していません。

今のところ、FirmwareはArduinoUNO互換のAitendo製にGRBL0.9j。ステッピングモータのドライバーはTB6650(全軸同じで1.2A  STOP50% 1/8駆動 減衰0%としたがこれが最適かどうかは不明) 3dprinterだと1/16稼働で十分のトルクが得られたが、1/16では音は静かだが脱調が激しい。コントローラーはgrbl controller3.6.1もしくは grblcontrol0.84(https://github.com/Denvi/grblControl/)(これは3Dで軌跡が表示されるので、見ていて面白い。)  最近grbl controller3.6.1T4(クリックでリンクに飛びます)が出て、同様に3Dが表示されるらしい。(テスト中)

grbl EEPROM の内容 ($$でコンソールより出力される)

Grbl 0.9j [‘$’ for help]
[‘$H’|’$X’ to unlock]
$0=10 (step pulse, usec)
$1=25 (step idle delay, msec)
$2=0 (step port invert mask:00000000)
$3=3 (dir port invert mask:00000011)
$4=1 (step enable invert, bool)
$5=0 (limit pins invert, bool)
$6=0 (probe pin invert, bool)
$10=3 (status report mask:00000011)
$11=0.010 (junction deviation, mm)
$12=0.002 (arc tolerance, mm)
$13=0 (report inches, bool)
$20=0 (soft limits, bool)
$21=1 (hard limits, bool)
$22=1 (homing cycle, bool)
$23=44 (homing dir invert mask:00101100)
$24=300.000 (homing feed, mm/min)
$25=5.000 (homing seek, mm/min)
$26=5 (homing debounce, msec)
$27=5.000 (homing pull-off, mm)
$100=1600.000 (x, step/mm)
$101=1600.000 (y, step/mm)
$102=1600.000 (z, step/mm)
$110=400.000 (x max rate, mm/min)
$111=400.000 (y max rate, mm/min)
$112=400.000 (z max rate, mm/min)
$120=10.000 (x accel, mm/sec^2)
$121=10.000 (y accel, mm/sec^2)
$122=10.000 (z accel, mm/sec^2)
$130=120.000 (x max travel, mm)
$131=80.000 (y max travel, mm)
$132=70.000 (z max travel, mm)

 

 

 

CNCの自作(5) Z軸のプラン

Z軸のスピンドルモータキャリッジの設計がなかなかうまく行かない。前回のCNCの自作(4)のやりかたでは、実際に3dプリンタで打ち出して取り付けてみると、どうもz軸がスムースに上下できない。3Dプリンタ特有の「ソリ」によって、台の部分とリニアベアリングの垂直性が保たれないようだ。

2個のリニアベアリングを別々に取り付ける方式はだめなようなので、全部をひとつにした形態にした。もともとドリルスタンドについていた、キャリアを利用するか、すべて3Dプリンタで打ち出すか、迷っている。

Z_C_2
Z_C_2

これは3DプリンタPrusa I3のX_Carridgeをまねて作った。実際にプリントアウトしてみるとなかなか良い。ただし、ドリルスタンドのキャリを多少改造しなければつかない。

3dPrint
3dPrint
Z_C_1
Z_C_1

これはスピンドルモータ取り付け部分もすべて一体形にしたもの。プリントアウトに4時間以上かかりそうだが、一応この案は上の方法が失敗したら、また考えることとした。

 

’aitendo’の転写シート

まったくBlogの更新がとまってしまっていたが、また更新していきます。

aitendoから売り出されている剥離紙Typeの転写シート。1枚10円程度とそれなりに高額だが、実際入手して試してみたが、今のところ失敗続き。ぶどう紙ではうまく行っていたが、この転写シートは条件がかなり難しい。アイロンの代わりにラミネーターでやってみているが、ぶどう紙のような高温では、トナーがまったく転写されなかった。それではと中温でトライしたら、一部が転写されたが、まだまだ。

転写シート
転写シート

これは3DPrinterのHeated Bed用の基板。 うまくいけば、ぶどう紙のように紙の繊維が残らないので非常にすばらしいのだが・・・これは15cm×15cmと熱転写PCBとしては限界に近い大きさなので、かなり条件的には厳しい。もっと小さな基板なら、うまく行くのかもしれない。

レーザPrinterをCanonからNECのレーザプリンタに変更してみたら、案外うまく行った様な?少しdefectが見られるが、まあ許容できるかな?ぶどう紙に比べ、紙の繊維がまったく張り付かず、きれいに剥離できる点は満点だが・・・ただ、パターンにピンホールが多数見られる。これはトナーの性かもしれない。あとでCANONのPrinterでもう一度やってみたが、NECとほぼ同様の結果だった。

Defectの部分は油性ペイントで修復した。

PCB Heated bed
PCB Heated bed

この転写シート、まずまず使えそう?かな?でも、まだまだ失敗しないと使えないような気がする。剥離シートの腰が強く、剥離台紙とトナーは完全に剥離するが、トナーが基板の銅箔面に完全に密着していないような感じだ。ラミネーターで転写した後のトナーを指で触ったりすると容易にはがれてしまう。ラミネータの厚み許容限界まで、紙などを重ねたほうがうまく行くような気がする。

ぶどう紙
ぶどう紙

同じパターンをぶどう紙で転写したのがこれ。写真ではよくわからないかも知れないが、角度が違うが、やはり圧倒的にきれい。ただし、紙の繊維をとる手間が大変。パターンのピンホールも少ないし、defectもほとんどない。

3dプリンタのHeate Bedの作成記事はここ。

CNCの自作(3) Spider Couplerを作った

ThingiverseにあったSpiderCouplerは大きさが合わないので新たにDesignSparkで4.5mmx5mmのSpiderCouplerを作成。ステッピングモーター軸と送りねじのカプラーをいろいろ作成してみたが、やっと満足するものが出来た。これでモーター軸と送りネジの芯ずれが解消されると思う。

Screen1
Screen1

L=25mm ,R=18mm 4.5mmx5mm

Spider1
Spider1
Spider2
Spider2

 

 

CNCの自作(2)

xyテーブルテスト
xyテーブルテスト

秋月からモーターが届いたので早速xytableのテスト。本当はモーターと駆動軸との接続はフレキシブルカプラーを使うべきだが、無いので固定のカプラーを3dプリントしたが、モーター軸と駆動軸の芯ずれが気になる。駆動軸が4.5mmと中途半端な太さなので、これはつくるしか無さそう。4-5mmを入手して4mmをドリルで拡げるか?

 

CNC

CNCの自作(1)

ThingiverseからBubblegumCNCのSTL_DATAをDownloadし、ずーっと以前にYahooオークションで安価で落札したProxxonのXYテーブルに付けてみた。

CNC
CNC

GRBLController+Arduino(GRBL)+Driverでうごかしてみたが・・・秋月の1000円のST-42BYG020(NEMA17)のバイポーラ接続ではトルクが足りないようで、うまく回っているところもあるが、途中でグッグと大きな音を立ててブレーキがかかってしまう。ドライバー(TB6560)の電流を上限まで上げても回転音が大きくなるだけで改善しない。

秋月のページでトルクデータをよく見てみると、ST-42BYG020は静止トルク:1.6kgfcmでONOSOKKIのトルク変換ページを使うと0.157Nmと、ギアつき700円の17PM-K044-AKZは0.27Nmなのでずいぶん小さい。今までこちらのほうがトルクが大きいだろうと信じ込んでいたが、逆だった。3dプリンターをこれで作っていたら失敗していたかもしれない。ギアつきのステッピングモータに変えるか、さらにトルクのあるST-42BYH1004(これは少し値段が高いし、大きい)に変える必要がある。

*その後、3dプリンタのExtruder用のステッピングモーターをはずして、このCNCに接続してみたら一軸だけだがちゃんと動いた。やはり上記推測は正しかったようだ。早速、秋月に注文しなきゃ。ただしZ軸もこれで良いのか?重いスピンドルモーターを上下させる必要があるが。ちょっと心配。ただ、まだその上下機構をどうするか?考え中。

交換した3DプリンタのExtruder用のステッピングモーターはこのST-42BYG020でも充分に機能した。試しに先のボルトナットをプリントしてみたが、なぜか少し音が変わったがフィラメントの送りはまったく問題なくかった。

 

 

Thingiverse

この数ヶ月は電子工作はほとんどご無沙汰で、もっぱら3Dに心を奪われているが、その3Dフリーク達が訪れるサイトがThingiverse.COMだが、なかなか素晴らしい。自分で作ったものをUploadしてshareしたり、ほかの人が作ったものをDownloadしたり出来る。

今日見つけたのはPlanetary Gear Box for Small Stepper Motorというプリンタを分解したときに出てくる、小型のステッピングモーターをギア化モータに出来るギアだ。早速作ってみた。

Gear1
Gear1
Gear2
Gear2

ひとつのモータ軸ギアに3個のギアが衛星のように回転し、さらにその外周を取り囲むギアがある。よく電気ドリルなどに用いられているギアだ。確か前にaitendoで100円で買ったステッピングモータに付けてみた。ネジはちょうどNema17と同一で1STEP回転角も1.8度(元は7.5度)になるらしい。

プラスチックギアなので油やグリスが使えないので回転するとかなりうるさそうだが、軽量の100円ステッピングモーターができた。但し、そのままプリントすると、SUNのギアが大き過ぎて干渉するので(これもDesignSparkでシミュレーションができる。)0.9倍にした。

DesignSpark Mechanical でM6ボルトナット

DesigneSparkMechanicalは無料で使える3D CADで初心者にも優しいという触れ込みで使わせていただいているが、簡単なものなら問題なく使えているが、”めねじを切る”でかなり苦労している。たいていのことはYoutube上のチュートリアルで解決できるが、この”めねじ”がうまくいかない。

M5のめねじを作りたいので、チュートリアルにある”めねじの素”のRSDOCをダウンロードして、所定の寸法まで押し出す。

めねじ1
めねじ1

次にヘリカル、右巻きを選択して、平面の3角形を選択して押し出すとねじ山が出来るが、チュートリアルではその後”ESC”を押して ”―削除”を選択しろと言っているが、そのようにしても何も起こらない。YouTubeのチュートリアルではESCを押すと右側にはみ出たねじ山が消えているが、自分はなにも起こらない。何が違うんだろうか?

めねじ2
めねじ2

このまま、断面図を表示するとこんな状態だ

meneji5

DesignSparkのVersionの違いかもしれないが・・・何度やってもこの状態で、今日は一日中ここでスタックしてしまっている。無理やりねじ山の平面を削除してSTLを作ってみたら、筒とネジ山が分離してしまった・・・・・

めねじ4
めねじ4

 

どなたか解決策をお教えください。と、ここまで書いたところで、はたと気がついた。ESCでいったん作業をやり直し、”-削除”とは立体の面を削除することなんだろう、と気づき、再度 ”-削除”を選択してヘリカル、右巻きで完成した。

めねじ5
めねじ5

うまくいった。

meneji8
meneji8

Youtubeチュートリアルを参考にM6のBoltとNutを作ってみた。3dプリンタでZ軸に細いものを単独で打ち出すと、冷却をしないとHotEndの熱で予期しないものが出来上がってしまうため、あえて3個のBOLT/NUTを並べてみた。レイヤー0.2mmもでちゃんとプリントアウトできてネジとしても使えた。

BoltNut
BoltNut

Printoutしたものはそのままでは使えないが、軽くバリを取ればこの通り、ボルト・ナットとして機能する。ただしレイヤー0.2ではM5以下ではちょっと難しいかも。レイヤーを0.05に設定して実験してみたい。

Volt/Nut
Volt/Nut

この出来上がったデータをSTLファイルの形式ででBlogにUploadしたらセキュリティーチェックに引っかかり阻止されてしまった。zipもだめだし、検討中。

html形式だとエラーが出ないので、以下のstlをクリック後、次の画面でファイルをダウンロードし、htmlを削除してsaveしてください。

M6BOLT.stl

M6NUT.stl

次はCNCの自作

東京マラソンまでもう1週間を切りましたが、体調が最悪で、しかもiPHONE6をランニング中に落としてフロントガラスを割ったり、娘の車のハッチを空けたまま車庫入れして車庫の壁に追突して曲げてしまい、気分も最低。果たしてこんな身体、こんな気分で走れるんでしょうか?明後日にはエントリーに行きますが・・・。

3DPrinterの製作が一段落したので、次はその3DPrinterで印刷したパーツを使ってCNCmillingマシンの製作プロジェクトを始動します。って、もうはじめていますが。もともと3DPrinterを作った目的は、このCNCを作りたかったからなんですが・・。
BubblegumCNCというProxxonのXYテーブルを利用したCNCを作ろうと思っています。

こんなものです。
ThingiverseやYOUTUBEでBubblegumCNC、MF70とかで検索するとたくさん出てきます。ThingVerseでSTLがダウンロードできたのでパーツを丸一日掛けて印刷しました。フィラメントはAmazonで奇跡的に安かった(青だけ2000円ほかの色は普通の価格でした)のPLAで。(安くても品質はとてもよかったが、今日見たら2400円になってしまった。たくさん購入しとけばよかった)

3DPrinted
3DPrinted

infillの値を40%と低くしてしまい、応力のかかる部分の強度が心配だが・・・壊れたら再度印刷すれば良いか・・・と。Proxxonのxyテーブルとドリススタンドは以前から持っていたが、

mf70
mf70

z軸の切削用モータのスタンドやモーターmf70は持っていなく、簡易のドリススタンドのためこれは何とか自作しなければならない。今のところ電池が消耗し使えなくなった古い電ドラのDCブラシモーターが有力候補だ。やはり3dプリンタでアタッチメントパーツを作成し、セットアップをしようと思うが、がかなり大変そうだが・・・さてどうなるか?