工程師自研PCB原型快速設(shè)計(jì)，方法之巧妙讓人咂舌？

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測(cè)試和開發(fā)一個(gè)用鉛筆芯上的電弧在空白 PCB 上切出導(dǎo)線的系統(tǒng)。

介紹
在看到用一個(gè)石墨鉛筆芯和 9V 電池切割鋁箔的把戲之后，我們想知道能否通過相同的方式切割空白 PCB 上的銅進(jìn)行 PCB 原型快速設(shè)計(jì)呢？事實(shí)證明可以做到這一點(diǎn)，但是需要克服一些挑戰(zhàn)。目前我們并沒有實(shí)際投入到這個(gè)項(xiàng)目的開發(fā)上來，但是我們希望讀者們能夠受到啟發(fā)。

這里的基本思想是，在空白 PCB 和由石墨材料制造的鉛筆芯組成的“熱”電極之間施加一個(gè)相對(duì)較高的電壓，當(dāng)電極接觸到 PCB 上，它和 PCB 之間的電位差會(huì)激發(fā)產(chǎn)生一個(gè)電弧，這個(gè)電弧的能量足以切斷覆銅板上的銅。當(dāng)然，在這個(gè)過程中石墨鉛筆芯會(huì)有所消耗，但是它磨損的速度很慢。這是電弧加工的一種應(yīng)用，它很像切割厚鋼板的電弧氣刨和電弧切割。

詳細(xì)信息
和你一樣，我們大家都希望能夠快速制造 PCB，因?yàn)槟悴豢赡艿谝淮尉湍茏龀霭俜种僬_的電路來，在調(diào)整電路設(shè)計(jì)時(shí)，肯定希望 PCB 能夠很快制造出來。我們可以進(jìn)行蝕刻，但是這種方式的生產(chǎn)效率低，而且需要用有點(diǎn)令人討厭的化學(xué)品。銑削過程也很慢，需要使用昂貴的硬件，而且很脆弱，你得緩慢移動(dòng)才不至于造成工具破裂。本文這個(gè)方案中，石墨材料的電極不需要支撐任何負(fù)載，因此可以更快地切割，而且 PCB 板子的固定也很容易（我們使用過膠帶固定它，簡單吧），機(jī)器的結(jié)構(gòu)本身不需要很堅(jiān)硬，而且我們可以使用非常薄的電極。此外，石墨鉛筆芯比軋機(jī)工具便宜得多，也不用擔(dān)心進(jìn)行 FR2 銑削時(shí)會(huì)造成的玻璃纖維粉塵。總之，我們認(rèn)為這種電弧加工方式很有前景，但是還有很長的一段路要走。
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我們已經(jīng)了解到這種方案的一些重要事項(xiàng)：

在我們嘗試過的所有材料中，石墨電極的效果最好；
電極和 PCB 之間的電壓差保持在 30-60V 即可，你可以輕松得到這種電源；
PCB 和電極之間需要輕微的接觸才能完成切割。如果推力過大造成壓合，這時(shí)產(chǎn)生的電弧能量不足以成功切割 PCB。你可以手動(dòng)操作，找到成功的手感，獲得正確的接觸，但是使用 CNC 很難把握好接觸程度；
0.4-0.8 毫米的鉛筆芯電極都可以正常工作；
你可以在水下切割（雖然我們的自來水不是那么導(dǎo)電，但是理想情況下還是用蒸餾水），這樣可以極大地方便清理切割殘?jiān)?。工業(yè)電弧加工中通常使用蒸餾水或者油，它們能夠有效控制火花并幫助清洗 EDM 設(shè)備。

在最終使用之前，還有一些需要解決的難題：

需要從 gerber 文件中找出電弧切割的路徑，現(xiàn)在有幫助銑削的開源工具，和這里的問題很相近。但是這種切割方式有其特殊性：如果你切割了一個(gè)完整的環(huán)路后，試圖去切割環(huán)路里面的區(qū)域，這是無法實(shí)現(xiàn)的。因此，我們要么在路徑生成過程中考慮生產(chǎn)連續(xù)性的需求（這里涉及到一些復(fù)雜的幾何學(xué)，所以可能做不到生成保證生產(chǎn)連續(xù)性的路徑，或者非常難），要么先從一側(cè)切割，再跑到另一側(cè)切割，這樣子可能切割質(zhì)量不好，不過我們還沒有嘗試過，再要么讓負(fù)極可以跟著移動(dòng)，以某種方式保證切割的連續(xù)性；
空白 PCB 可能不是那么平（至少我們使用的廉價(jià) PCB 就不平），再加上石墨的消耗，可能需要在運(yùn)動(dòng)上進(jìn)行閉環(huán)控制以確保連續(xù)性的切割。此外，可能需要使用某種控件來確保石墨電極和 PCB 的“輕微接觸?！?/p>

還有一些需要注意和認(rèn)真對(duì)待的事情：

把電極放到水中操作會(huì)產(chǎn)生明顯的電解，如果通風(fēng)性比較好，氧氣和氫氣的濃度會(huì)比較小，可以忽略不計(jì)，但是最好不要在密閉性的空間里在水中操作；
電火花非常明亮，如果眼睛沒有戴護(hù)具，最好不要看它。從視力保護(hù)的角度來看，應(yīng)該像面對(duì)焊接操作那樣注意保護(hù)眼睛；
持續(xù)的火花會(huì)噴射出 EM 輻射，因此應(yīng)該做好屏蔽措施，以免可能干擾其它事物；
操作電壓相對(duì)較高，功耗也較大（電極上會(huì)很熱），所以，除非你制造自己在干嘛，否則不要去操作它。
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