INTRODUCCIÓN
La
presente propuesta tecnológica se refiere a la implementación de un sistema de
impresión de PCB’s para circuitos electrónicos en placa fenólica con control
numérico computarizado CNC, debido a la carencia de esta máquina en los
laboratorios de la Universidad Técnica de Cotopaxi, lo cual obliga a los
estudiantes de la Carrera de Ingeniería Electromecánica a recurrir a métodos
tradicionales.
Se
comienza definiendo el sistema mecánico, a partir de la mesa de trabajo con una
medida estándar de 250 x 250 mm, la cual se determina a base de una placa
fenólica de 200 x 200 mm, siendo esta una medida comercial de nuestro país en
cuanto a placas de cobre. Posteriormente, el diseño estructural se lo realiza
una vez definida el área de trabajo, tomando como referencia de diseño, la
impresora 3D “ANET A8”, la misma que se desarrolla utilizando un software de
diseño “SolidWorks”, en su versión educacional, una vez generado el diseño
final de la máquina se procede a realizar los cortes mediante láser de cada una
de sus partes. Para el sistema eléctrico y electrónico se opta por los
componentes más amigables y accesibles, como lo son el Arduino UNO, ya que al
ser un controlador personalizable trabaja en conjunto con un módulo Shield CNC
y drivers A988, estos últimos son los que controlan los motores paso a paso
previamente definidos, a su vez para la máquina herramienta se utiliza un
motortool “DREMEL 3000-N/10”. Por último, se utiliza el software libre
OpenCNCPilot el cual se encarga del control de la máquina.
Finalmente,
al desarrollar las pruebas necesarias, la máquina CNC demuestra un correcto
desempeño al momento de realizar el fresado y perforado de la placa fenólica,
reduciendo el tiempo de trabajo, eliminando los métodos tradicionales en su
totalidad y presentando un acabado de calidad.
MATERIAL Y MÉTODOS
Para
la implementación de la propuesta tecnológica se detallan los aspectos
metodológicos e instrumentos que permiten alcanzar el objetivo de la
investigación, basado en modelos cuantitativos por medio de ecuaciones y el uso
de herramientas digitales de modelado, estudios y simulación. Mediante la
implementación de este sistema se concibe tecnificar el proceso de realización
de PCB's con la ayuda de la tecnología CNC, y con esto reducir de manera
significativa el tiempo que tarda la elaboración de dichas tarjetas de forma
tradicional y adicionalmente reducir los riesgos que conlleva utilizar ácido
férrico, para la verificación del correcto funcionamiento de la máquina se
determinan análisis con distintos parámetros que contribuirán con la
construcción de la misma, a base de diferentes variables establecidas
previamente para su desarrollo.
Los
siguientes objetivos hacen parte de una técnica investigativa:
·
Recolección de información
·
Análisis de ecuaciones
·
Desarrollo del proyecto
La
presente propuesta tecnológica utilizó las siguientes técnicas:
Simulación.
– Softwares de diseño
Medición.
- Toma de datos de variables
Observación.
- Funcionamiento de la máquina CNC mediante la manufactura de la PCB.
Figura 1. Descripción del desarrollo de la propuesta
tecnológica.
Diseño del sistema mecánico
Para
iniciar con el diseño de la estructura mecánica se consideran las dimensiones
de la máquina y de los componentes mecánicos con lo que esta va a trabajar ya
que una máquina CNC depende de varios elementos los cuales ayudan a realizar
los movimientos exactos y precisos que la caracterizan.
Parámetros
del área de trabajo
El
tamaño máximo de placas fenólicas que se encuentran en el mercado comercial es
de 200×200 mm, siendo esta una medida estándar para el dimensionamiento de la
mesa de trabajo.
En la
Tabla 1, se detalla el recorrido de cada eje de desplazamiento.
Tabla 1. Área de trabajo
Consideraciones
de diseño
Hoy en
día existen diferentes tipos de impresoras CNC para placas electrónicas, las
mismas que varían en su diseño, siendo estas de mesa fija y brazo en voladizo,
mesa fija y puente móvil o mesa móvil y puente fijo. Cada uno de estos diseños
de forma varían en diferentes características, como se detalla a continuación.
Características
de la mesa fija y brazo en voladizo
a)
Mesa de trabajo fija, el movimiento de los tres ejes cartesianos se da
en la herramienta de corte con la ayuda del brazo cantiléver.
b)
Buena accesibilidad para carga y descarga de las piezas.
c)
Excelente inspección en piezas medianas y pequeñas.
d)
Pérdida de precisión por caída de brazo.
e)
Estructura abierta y ligera.
Características
de la mesa fija y puente móvil
a)
Fácil de manejar.
b)
Mesa de trabajo fija, requiere un actuador para el movimiento del puente
móvil en el eje Y, y dos actuadores para el movimiento de la herramienta de
corte en el eje X, Z.
c)
Diseño con alto volumen de trabajo y precisión.
d)
La altura del puente limita el tamaño al momento de manufacturar piezas.
Características
de la mesa móvil y puente fijo
a)
Para este tipo de máquina herramienta se requiere tener soportes en dos
puntos para el desplazamiento de la mesa en el eje Y.
b)
Requiere de tres actuadores, uno para cada eje (X, Y, Z), adicionalmente
se necesita un actuador para accionamiento de la herramienta.
c)
Mecaniza plásticos, madera, ceras, MDF.
d)
Diseño con excelente rigidez.
e)
Buena visibilidad al momento de mecanizar.
f)
Máquina Herramienta óptima para microempresas.
Para
escoger el mejor prototipo de la máquina CNC para circuitos electrónicos, se
realiza un análisis de características técnicas en relación a la estructura,
establecidas
en la Tabla 2
Tabla.2. Matriz de selección para la estructura en base al área
de trabajo.
Diseño
del sistema de Transmisión
La
importancia del sistema de transmisión en la máquina CNC es fundamental, ya
que, para determinar un desplazamiento simétrico, es necesario establecer las
fuerzas, pesos y torques adecuados en los ejes, presentando una velocidad
constante y un coeficiente de fricción despreciable ya que la misma trabaja con
rodamientos lineales y ejes lisos de alta frecuencia que disminuyen
considerablemente la fricción.
Cálculo
del torque para la carga de los ejes X, Y, Z
Tabla 3. Torque para mover la carga en cada eje.
Diseño
del sistema electrónico
El
sistema electrónico es fundamental en el proceso mecánico de la CNC, ya que al
implementarlo necesita de herramientas para definir el posicionamiento y
dirección, estas son dictadas automáticamente a través de un dispositivo
electrónico mediante datos numéricos en tiempo real.
El
sistema electrónico se compone de actuadores, utilizados para el desplazamiento
de los ejes, su controlador y el software adecuado para su funcionamiento.
Diagrama
de bloques del sistema de impresión CNC Para llegar a un mecanizado de
calidad en una PCB, se debe realizar un proceso, el cual se detalla en la
Figura 2 con ello delimitamos caracteres esenciales que van desde el diseño
hasta la fabricación del circuito.
Figura 2. Diagrama de bloques del sistema de impresión CNC
Diagrama
de flujo para el desbaste, perforado y corte del PCB
Figura 3. Diagrama de flujo del proceso de manufactura de PCB.
Diseño
del sistema estructural
Para
el diseño estructural de la máquina CNC, se considera un sinnúmero de software
CAD, sin embargo, para la propuesta tecnológica se opta por el software de
diseño en su versión de prueba SolidWorks 2019, con el fin de concretar ideas y
bosquejos que consoliden una estructura acorde a un proceso de ingeniería.
Modelado
CAD de la máquina CNC
Figura 4. Piezas modeladas en software SolidWork
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Tiempo
de manufactura
El
tiempo de manufactura al ser realizado de manera automática a través de la CNC
se reduce de manera significativa. A través de este proceso se comprueba la
eliminación total del método tradicional de atacado químico.
Desbaste
La
figura 5, muestra el tiempo estimado que tarda el grabado de las pistas
conductoras sobre la placa fenólica, el cual es 00:04:26.
Figura 5. Tiempo estimado para desbaste.
Perforado
La
figura 6, muestra el tiempo estimado que tarda el perforado en los pads de las
pistas conductoras sobre la placa fenólica, el cual es 00:02:03.
Figura 6. Tiempo estimado para perforado
Borde
La
figura 7, muestra el tiempo estimado que tarda en cortar el borde de la tarjeta
electrónica el cual es 00:00:52.
Figura 7. Tiempo estimado para corte del borde.
Para
la manufactura de las tarjetas electrónicas se emplean tiempos bajo el método
convencional como también con la utilización de la máquina CNC, con ello se
compara en la Tabla 1.5 el tiempo que tarda cada uno de estos procesos en la
manufactura de dichas tarjetas.
Tabla 4. Tiempos en procesos de manufactura.
Validación
del tiempo de manufactura en un circuito 555 ASTABLE
De
acuerdo a la hipótesis planteada, se comprueba el tiempo de manufactura del
circuito electrónico como se demuestra en la Tabla 4.29 del capítulo de
metodología, donde se evidencia el tiempo de elaboración de la PCB con la
máquina CNC el cual es de 00:07:21, a diferencia del método convencional que es
de 00:35:00; por lo anteriormente detallado se estableció que existe una
disminución considerable tiempo en un 79.40%, empleada con la tecnología CNC,
además la eliminación total del método convencional de atacado químico
reduciendo así la contaminación y posibles afectaciones a la salud.
Prueba
de mecanizado
Para
corroborar que el mecanizado realizado por la máquina CNC tenga una correcta
resolución es importante efectuar una prueba de mecanizado que consiste en
realizar trazos geométricos y compararlos mediante longitudes que se establecen
en el software y en el resultado que arroja la máquina en el proceso.
La
prueba realizada, se definió con una circunferencia como se muestra en la
figura 8, la misma que consta de un diámetro de 50mm.
Figura 8. Circunferencia en software
A
continuación, la figura 9 muestra el resultado de realización de tarjetas
electrónicas, ya que, al ser mecanizado proporcionado por la máquina CNC, el
cual un proceso de grabado automático, se contribuye al ser medido con un
calibrador arroja un resultado de directamente con la conservación del medio
49.70
mm de diámetro.
Figura 9. Medición de la circunferencia mecanizada
El
error existente es entonces:
CONCLUSIONES
Referente
a la investigación realizada en el apartado de marco teórico, se
logró sustentar los distintos conceptos relacionados con la
tecnología CNC y sus aplicaciones con respecto placas de circuito impreso PCB.
En
base a modelos de impresoras con tecnología CNC, se determinó un número
reducido de este tipo de diseños, sin embargo, mediante bosquejos y modelos
similares con características de mesa móvil y puente fijo se diseñó el
prototipo con dimensiones de alto: 490mm, ancho: 400mm y profundidad 450mm.
Al
implementar la máquina CNC para tarjetas electrónicas se verificó que
cumple con las especificaciones y requisitos necesarios de
diseño para el proceso al cual está enfocada, mostrando una estructura compacta
y robusta.
Con la
implementación del sistema de impresión de PCB ́s con tecnología CNC, se
demostró que el método convencional de planchado tiene un tiempo estimado de
00:35:00 a 00:50:00 minutos en un diseño de un circuito Astable 555, a
diferencia que con la implementación de la máquina CNC tarda
alrededor de 00:07:21 minutos en un diseño de las mismas
características, mostrando un ahorro de tiempo en un 79.40%.
Por
medio del desarrollo de la propuesta tecnológica se ha impulsado la
eliminación al 100% del uso de químicos tóxicos en la realización
de tarjetas electrónicas, ya que, al ser un proceso de grabado automático, se
contribuye directamente con la conservación del medio ambiente y sus
habitantes.
Se
muestra un modelo versátil, es decir que puede ser controlado con una
gran variedad de softwares y extensiones como.bmp, tab.ngc, gcode, etc,
enfocados a la tecnología CNC sin la necesidad de modificar algún sistema de la
máquina.
Mediante
la implementación del sistema de impresión de PCB ́s con tecnología
CNC en los laboratorios de la Universidad Técnica de Cotopaxi, se
estimula la interacción entre estudiantes y la tecnología CNC, la cual
hace parte de la propuesta tecnológica, para afianzar los lazos de ingeniería.
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