Layout und G-Code Erstellung mit KICAD

Mit der Open Source Software KICAD lassen sich Platinen in beliebiger Größe und mit bis zu 16 Layern erstellen.

Da die Platine bei daedalus gefräst wird, ist darauf zu achten, dass alle Verbindungen auf der Bottom Seite gezeichnet werden. SMD Bauteile sind standardmäßig auf dem Top Layer, diese können jedoch mit der Flip Funktion auf den Bottom Layer gebracht werden. Dazu muss die Maus auf das Bauteil bewegt werden und "F" auf der Tastatur gedrückt werden.

KICAD kann selber keinen für die CNC Fräse benötigten G-Code ausgeben, dies muss mit einem externen Tool erledigt werden. Dazu geht man wie folgt vor:

Schritt 1: PCB Editor von KICAD unter File -> Plot

Hier sollte beim Plot Format "Gerber" gewählt werden. Bei der Output Directory kann der vom Benutzter gewünschte Pfad durch den Button "Browse" angegeben werden. Da die CNC Fräse nur eine Seite fräsen kann, muss bei den Layers nur "Back" gewählt werden. Bei den Options muss nichts gewählt werden und bei den Gerber Options muss nichts geändert werden. Anschließend erstellt man mit dem Button "Plot" das Gerber File. Dieses trägt typischer Weise die Endung .gbl für Gerber Bottom Layer. Zusätzlich muss noch eine Bohr-Datei erstellt werden, dies geschieht mit dem Button "Generate Drill File"

Plot File erstellen

Dabei ist zu beachten, dass bei Drill Units "Millimeter", bei Zeros Format "Decimal format" und bei Drill Origin "Absolute" ausgewählt ist. In der mittleren Spalte muss bei Drill Sheet "Drill map (Gerber)" und bei Drill Report "None" gewählt werden. Ganz wichtig ist es weiter unten bei Options "Mirror y axis" zu deaktivieren.

Drill File

Nun kann der PCB Editor beendet werden. Alle nachfolgenden Einstellungen sind auf der Seite www.rapid-pcb.com vorzunehmen!

Schritt 2 www.rapid-pcb.com

TIPP: Mit dem Scroll Rad kann die Ansichtsgröße geändert werden, u.a. bei der Wahl der Außenlinie hilfreich. Dennoch sollte diese nicht zu knapp an die Leiterbahnen herangelegt werden.

1. Auf der rechten Seite können verschiedenste Einstellungen vorgenommen werden, darunter die Einheiten in "mm", die Material Größe und Dicke, der Nullpunkt, hier ist der Punkt links unten zu wählen. Flat surface muss nicht gewählt werden. Mit dem Button "Next" weiter auf die nächste Seite...

Page 1

2. Zuerst muss dort das eben generierte Gerber File mit der Endung .gbl hochgeladen werden. Der Offset in X und Y Richtung muss selbst herausgefunden werden. Diese sollte im Allgemeinen so gewählt werden, dass das Board links unten auf der angezeigten Platine liegt, sodass die Platine möglichst weit am Rand liegt. Dies erleichtert später beim Fräsen die Ausrichtung.

Page 2 Gerber loaded

Bei Contour muss bei Count "1" gewählt werden, ansonsten wird die Leiterbahn mehrmals umfräst. Bei Tool hat sich "V-bit, 0.1 mm, 30°" als gut erwiesen. Bei Feed rate sollte "4mm/s" eingestellt werden, dies entspricht den vorgeschlagenen 250 mm/min. Wieder weiter mit dem Button "Next"

Page 2 Contour

3. Im dritten Schritt soll nun das Drill File mit der Endung .drl hochgeladen werden. Bei Position sollte "Same as bottom signal layer" gewählt werden um die Bohrlöcher exakt an der vorgesehenen Stelle zu positionieren. Bei Drilling muss der Bohrkopf gegen einen Bohrer gewechselt werden, für normale Bohrlöcher wie etwa Widerstände empfiehlt sich "0.8 mm" für etwas dickere Drähte oder Pin Header sollte ein 0.9 mm Bohrer verwendet werden. Bei der Tiefe (Depth (Z)) gilt als Richtwert Platinendicke + 1mm, für eine 2 mm Platine also 3 mm. Die Plunge rate sollte auf "2 mm" eingestellt werden, was wieder etwa den vorgeschlagenen 150 mm/min entspricht. Weiter auf Seite 4 mit dem Button "Next"

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4. DIESER SCHRITT WURDE NOCH NICHT VERIFIZIERT!!! Auf der 4. Seite kann die Platine nun noch vom restlichen Board ausgefräst werden, dazu ist ein Hacken bei "Generate outline cut" zu setzten. Die Position und Größe muss auch hier wie bei 2. selbst herausgefunden werden. Bei den Tool settings sollte bei der Tiefe (Depth(Z)) wieder Platinendicke + 1 mm, für eine 2 mm Platine also 3 mm und bei der Feed rate der gleiche Wert wie bei 3. also etwa "2 mm" für die vorgeschlagenen 150 mm/min gewählt werden.

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5. Diese Einstellungen sind eher uninteressant. Dabei kann der 'freie' Bereich zwischen den Leiterbahnen entfernt werden. Falls dies doch benötigt wird empfiehlt sich eine Tiefe (Depth(Z)) von 0.2 mm und eine Feed rate von "2.5 mm", wieder wegen der vorgeschlagenen 150 mm/min.

6. Zum Schluss muss noch die Safe height (Z) angegeben werden. Ein Wert von "6 mm" ist dabei empfehlenswert, da der Fräskopf bei jeder neuer Leiterbahn auf diese Höhe fährt, sich ausrichtet und dann nach unten zum fräsen fährt. Ist diese Höhe sehr groß dauert das Fräsen entsprechend lange. Der  Wert für die Rapid move rate sollte "5 mm/s" betragen.

Abschließend kann mit dem Button "Generate" ein ZIP File mit allen benötigten Files erstellt und heruntergeladen werden. Zusätzlich gibt es darunter noch Informationen über die benötigte Zeit der Fräse für die einzelnen Schritte.

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Öffnet man dieses ZIP File findet man drei verschiedene Files: bottom_contour.txt, bottom_cut.txt und bottom_drill.txt.

 

ACHTUNG

In allen Files muss die Zeile "M07" sowie "T1 M06 ( Engraving Tool )" gelöscht werden. Diese Einträge befinden sich in den ersten 20 Zeilen der Files. Werden diese beiden Zeilen nicht entfernt, wird der Fräskopf zerstört!

Die passende Frästiefe ist nach 4 wöchiger Erfahrung jedesmal neu zu testen, ein Wert zwischen 0.07 und 0.15 hat sich dabei für alle Footprints als optimal erwiesen. Am besten wird zunächst eine komplette Leiterbahn mit 0.08 oder 0.1 gefräst und danach der Vorgang abgebrochen. Erscheint die Frästiefe passend so wird einfach das Programm erneut gestartet.

Wird die Platine nicht mit den 4 Halterungen an den Ecken, sondern mit einem doppelseitigen Klebeband auf einer MDF Platte befestigt, kann im File "bottom_contour.txt" nach "Z-0.2" gesucht und mit "Z-0.1"  "Z-0.06" ersetzt werden. Dies führt dazu, dass der Fräskopf nur noch 0.1 0.06 mm in die Platine eindringt und sich so auch SMD Footprints wie TQFP32 oder SOT-23 herstellen lassen. Es ist allerdings unbedingt darauf zu achten, dass die Platine an mindestens 5 Stellen vermessen wird. Dabei bieten sich die 4 Ecken und die Mitte der Platine an. Ist der Unterschied dort größer als 0.1mm 0.06mm so muss die Platine neu ausgerichtet oder die Frästiefe vergrößert werden. Dies wirkt sich jedoch stark auf das Fräsergebnis aus. Links mit einer Tiefe von 0.2mm und eingespannt, rechts mit 0.05mm mit doppelseitigem Klebeband befestigt

Drill FileDrill File

 

 

 

 

 

 

 

Anschließend ist das Text File zu speichern und die Endung von ".txt" auf ".cnc" zu ändern. Damit kann der Code direkt in das Programm der CNC Fräse geladen werden.

Für ein optimales Endergebnis sollte mit einer Metallbürste die Platine solange abgerieben werden, bis die Oberfläche glänzt und keine kleinen Metallspäne mehr entstehen. Anschließend mit feinem Sandpapier nochmals die komplette Fläche ein bis zwei mal abschleifen. Jetzt sollte es keinen Kontakt mehr zwischen den Leiterbahnen geben, falls doch den Vorgang wiederholen und auf Späne zwischen den Leiterbahnen prüfen.