In questo articolo faremo una panoramica sulla tecnologia della macchina fresatrice computerizzata a controllo numerico (CNC) di PCBWay. Daremo uno sguardo più approfondito alla tecnologia CNC, alle tipologie di macchine fresatrici CNC, agli aspetti peculiari delle lavorazioni CNC di PCBWay, ai materiali standard e personalizzati, alla tecnica di fresatura CNC per la prototipazione di circuiti stampati.
Introduzione
Una macchina CNC (Computer Numerical Control) è una macchina controllata da un computer mediante un codice dati di comando (G-code) secondo lo standard ISO. Sistemi di macchine utensili a controllo numerico funzionano in modo simile, quindi le macchine utensili a controllo numerico sono più accurate, più precise, più flessibili e adatte alla produzione di elevati volumi. Progettata per supportare la produzione, la macchina CNC può ridurre o eliminare l'intervento dell'operatore durante la lavorazione. Il controllo numerico computerizzato (CNC) è un codice programmato che rappresenta le istruzioni per i movimenti precisi che devono essere eseguiti dalle macchine. Indirettamente, questo codice definisce come creare, produrre o trasformare automaticamente un oggetto virtuale in uno reale. In base a questa definizione, una macchina CNC deve interagire con un computer dotato di un software che trasforma il codice numerico in coordinate cartesiane. Ciò consente alla macchina di lavorare con un elevato grado di precisione, proprio come un robot. Una macchina CNC trasforma la materia prima in un modello finito attraverso diversi metodi, aggiungendo (additivo) o rimuovendo (sottrattivo) materiale. Le tecniche disponibili dipendono dal tipo di macchina. Una stampante 3D o una fresatrice CNC sono ottimi esempi di macchine CNC additiva e sottrattiva, rispettivamente.
La macchina fresatrice CNC
La fresatura è il processo di taglio e perforazione di materiale (come legno, plastica o metallo). Una fresatrice, indipendentemente dal fatto che sia azionata manualmente o tramite sistemi CNC, utilizza un utensile cilindrico rotante chiamato fresa, contenuta in un fuso e può variare per forma e dimensione. In Figura 1 una fresatrice CNC di PCBWay in opera.
Figura 1: Fresatrice CNC di PCBWay in opera (PCBWay)
La principale differenza tra una fresatrice e qualsiasi altra perforatrice è la capacità di tagliare con diverse angolazioni e di muoversi lungo diversi assi. Per questo motivo, esistono diversi tipi di fresatrici, che sono definite dal numero di assi di movimento:
- Le fresatrici a 2 assi possono eseguire fori e scanalature lungo gli assi x e z. In altre parole, questa macchina taglierà solo verticalmente e orizzontalmente (ma solo in una direzione).
- Le fresatrici a 3 assi hanno anche l'asse y. Questo è il tipo più comune di fresatrice. E’ possibile tagliare verticalmente e in qualsiasi direzione, ma un oggetto come una sfera dovrà essere realizzato una metà alla volta. Questo perché, anche con tre assi, non è possibile tagliare dal basso.
- Le fresatrici a 4 assi sono più complesse perché aggiungono la possibilità di ruotare l'asse x, similmente ad un tornio.
- Le fresatrici a 5 assi integrano la funzione di rotazione in entrambi gli assi x e y. Questa è la fresatrice più completa che è possibile avere. Consente di modellare ossa, strutture aerospaziali, modelli di auto, prodotti medici e praticamente qualsiasi altra cosa si possa immaginare.
- Le fresatrici CNC possono avere un numero qualsiasi di assi, da 2 a 5, ma sono gestite tramite un computer. Nessuna operazione manuale è richiesta.
Tipi di fresatrici CNC
Una fresatrice CNC è una qualsiasi fresatrice controllata tramite un computer. Eppure, a parte le classificazioni degli assi, esistono ancora diversi tipi di fresatrici, manuali o CNC.
- Fresa verticale: questa fresatrice a 3 assi è costituita da un tavolo che funge da piano di lavoro posto sotto un braccio a cui è fissato il mandrino. Sia il tavolo che il braccio sono collegati a una colonna verticale e il mandrino è orientato verticalmente. In generale, il tavolo si muove su e giù lungo l'asse z per incontrare il braccio, che è fisso. Tuttavia, il modo in cui il tavolo e il mandrino si muovono l'uno rispetto all'altro dipende dal tipo di fresa verticale. In una fresatrice verticale a torretta, il mandrino è fermo e il tavolo si muove lungo gli assi x e y. In una fresatrice verticale a bancale, il tavolo può essere spostato solo lungo l'asse x, mentre il mandrino può viaggiare lungo la lunghezza del braccio nella direzione dell'asse y.
- Fresa orizzontale: questa fresatrice è simile a una fresa verticale, tranne per il fatto che il mandrino è orientato orizzontalmente anziché verticalmente. Sebbene generalmente considerate meno versatili delle frese verticali, le frese orizzontali sono più adatte alla lavorazione di pezzi più lunghi o pesanti. Una fresa orizzontale universale ha la capacità aggiuntiva di ruotare il tavolo attorno all'asse z (rendendola una fresatrice a 4 assi). In Figura 2 alcuni utensili della fresatrice CNC.
Figura 2: Utensili della fresatrice CNC (PCBWay)
La tecnica di fresatura CNC per la prototipazione di circuiti stampati (PCB)
Per completezza, di seguito faremo una breve trattazione delle macchine CNC per la prototipazione di PCB. L'obiettivo nella realizzazione di un prototipo di PCB è di fornire rapidamente una versione funzionante di un progetto. Il problema, tuttavia, è che i prototipi di PCB sono stati tradizionalmente resi disponibili solo da pochi produttori, non sempre adeguatamente attrezzati, o mediante complicati metodi e kit di incisione fai-da-te. Per fortuna, ora questa situazione è cambiata poiché le fresatrici moderne hanno aperto un'altra opzione per i progettisti. Le fresatrici CNC (in inglese “CNC Milling") sono già utilizzate nel processo di produzione di PCB per instradare o tagliare attorno al perimetro della scheda e anche per fare ritagli all’interno della scheda stessa. Facendo un ulteriore passo avanti, la fresatura può essere utilizzata anche per rimuovere il rame dalla superficie di un circuito stampato in un processo noto come “fresatura di isolamento” con cui vengono rimosse le aree di rame sulla superficie di un substrato ricoperto di rame per creare caratteristiche standard del circuito stampato come pad, tracce, riempimenti e vie. Una volta completato questo processo, si ottiene un prototipo hardware completo pronto per essere utilizzato. Prima della prototipazione CNC, un circuito stampato dovrebbe essere realizzato su una breadboard (breadboarding), inciso con metodi fai-da-te, o inviato direttamente ad un produttore.
Sono disponibili in commercio anche dei kit per fare le incisioni, ma si avrà a che fare con prodotti chimici e le complessità del processo di incisione. La fresatura CNC, per contro, può essere eseguita in un tipico ambiente d'ufficio senza esposizione a sostanze chimiche pericolose e produrrà schede di qualità superiore ad un costo inferiore rispetto all'incisione fai-da-te. La creazione di un circuito su una breadboard è stato il metodo standard per lo sviluppo di circuiti utilizzato da hobbisti, studenti e ingegneri per una sperimentazione pre-prototipale. Il breadboarding, tuttavia, presenta alcuni inconvenienti quando si tratta di realizzare circuiti ad alta frequenza e/o complessi. La fresatura di un prototipo di PCB consente di creare un circuito stampato funzionante in tempi relativamente brevi e già strutturato come prodotto finito da inviare in produzione, anziché come breadboard. È importante notare che la fresatura CNC di PCB è limitata a schede a due strati senza fori passanti placcati. Il processo CNC non intende sostituire la produzione in serie di PCB attraverso i processi di incisione standard. Ma per ottenere un prototipo rapido ed economico, una scheda prodotta con sistemi CNC può offrire molti vantaggi. Sul sito web di PCBWay https://www.pcbway.com/orderonline.aspx è possibile configurare il proprio PCB ed ottenere istantaneamente un preventivo.
I vantaggi della lavorazione CNC di PCBWay
Le fresatrici CNC sono costruite per una produzione precisa e ripetibile, il che le rende perfette per la prototipazione rapida e per cicli di produzione da bassi ad alti volumi. Le macchine CNC di PCBWay possono lavorare con una varietà di materiali, dall'alluminio e plastica di base, ai materiali più particolari come il titanio, rendendo queste macchine ideali per quasi tutti i lavori. Di seguito alcuni vantaggi della tecnologia CNC di PCBWay.
Velocità di lavorazione
Utilizzando le più recenti macchine a controllo numerico, PCBWay produce parti estremamente precise in appena 2 giorni. Inoltre, PCBWay istantaneamente può fare un preventivo online delle parti da lavorare con la macchina CNC, riducendo i giorni del processo di richiesta del preventivo.
Volume scalabile
La lavorazione CNC ha volumi scalabili per la produzione da 1 a 100.000 parti, agevolando il passaggio dalla fase di test a cicli di produzione elevati.
Alta Precisione
PCBWay è un produttore esperto nella realizzazione di parti veramente personalizzate e pronte all'uso di alta precisione con tolleranze di lavorazione da +/-0,005″ a +0,01″, a seconda delle specifiche esigenze del cliente.
Finiture superficiali personalizzate
Adatte a molti tipi diversi di substrati, rendono le parti virtuali uguali ai prodotti reali finiti.
Ampia gamma di materiali
E’ possibile scegliere oltre 50 materiali in metallo e plastica.
Riduzione dei costi
Basso investimento in attrezzature e bassi costi di preparazione, soluzioni economiche per parti con struttura semplice. Con la fresatura CNC di PCBWay si possono realizzare molte operazioni, fra cui: la fresatura di isolamento per creare le caratteristiche della scheda, la fresatura regolare attorno al contorno della scheda e la foratura. Il sistema CNC di PCBWay utilizza uno strumento rotante multi-punto per rimuovere il materiale dal pezzo. Le frese base sono costituite da un sistema a 3 assi (x, y e z), uno dei processi di lavorazione più diffusi e utilizzati. Nella lavorazione a 3 assi, il pezzo rimane fisso e l'utensile rotante taglia lungo gli assi x, y e z. In questo tipo di lavorazione, la maggior parte delle nuove fresatrici può ospitare due assi aggiuntivi per lavorazioni CNC a 4 assi e a 5 assi che consentono una maggiore versatilità e affidabilità, specialmente nella produzione di parti di alta precisione. Le succitate peculiari caratteristiche delle macchine CNC consentono una varietà di diverse operazioni di fresatura elencate di seguito:
• Fresatura superficiale
• Spianatura
• Fresatura angolare
• Fresatura di forme
• Fresatura di profili
• Fresatura di ingranaggi e similari meccanismi
Mentre le parti in plastica lavorate vengono lasciate così come sono fresate, ovvero presentando segni visibili dell'utensile, alcune parti metalliche consentono più scelte di finitura come l'anodizzazione e la cromatura. Quando il processo di fresatura è completo viene applicata la finitura superficiale richiesta e le parti vengono imballate e spedite rapidamente.
I materiali di lavorazione CNC di PCBWay
La macchina CNC a 3 assi con il pieno utilizzo tridimensionale x, y e z, è la macchina per le lavorazioni di fresatura più utilizzata per un’ampia gamma di materiali plastici e metallici. La macchina CNC a 4 assi consente un movimento di rotazione su un asse verticale realizzando un processo di lavorazione continuativo. La macchina CNC a 5 assi è in grado di produrre parti con geometrie complesse. In pratica, è una macchina CNC a 3 assi con due assi di rotazione aggiuntivi. I materiali di lavorazione CNC metallici sono: Alluminio, Acciaio, Rame, Ottone, Titanio, Zinco. Altri materiali sono: Plastica, Bachelite, ABS, ABS trasparente, Policarbonato, FR4, Acrilico, Polietilene, Teflon, ecc.
I materiali personalizzati
PCBWay mette a disposizione dei clienti una varietà di opzioni di parti in metallo e plastica lavorabili con le macchine CNC di cui è possibile richiedere un preventivo online istantaneo nel sito selezionando "Personalizzato" nell'elenco a discesa del materiale nella pagina https://www.pcbway.com/rapid-prototyping/manufacture/?type=1&reffercode=DD del preventivo per una revisione tecnica esperta dopo aver specificato le caratteristiche, le tolleranze, le esigenze di ispezione e le quantità richieste.
Le finiture superficiali standard di PCBWay
Di seguito riportiamo un elenco di finiture superficiali standard.
- Come fresato: le parti vengono lasciate fresate con segni visibili dell'utensile, spigoli e sbavature potenzialmente taglienti che possono essere rimossi su richiesta.
- Sabbiatura: la sabbiatura abrasiva è l'operazione di spinta forzata di un flusso ad alta pressione di materiale abrasivo contro un oggetto per levigarne una superficie ruvida, irruvidire una superficie liscia, modellare una superficie o rimuovere contaminanti superficiali.
- Finitura Anodizzata (Tipo II o Tipo III): la finitura Anodizzata Tipo II crea una finitura resistente alla corrosione. Le parti possono essere anodizzate in diversi colori (chiaro, nero, rosso e oro, sono i più comuni) e di solito sono associate all'alluminio. La finitura Anodizzata Tipo III è più spessa e crea uno strato resistente all'usura, oltre alla resistenza alla corrosione della finitura di tipo II.
- Sabbiatura a graniglia+Anodizzazione (colorata o trasparente Tipo II): l'Anodizzazione di Tipo II viene utilizzata principalmente per produrre parti con una superficie uniforme ed esteticamente gradevole e fornisce una buona corrosione e una limitata resistenza all'usura. Le parti vengono sabbiate con graniglia #120 grit prima dell'anodizzazione.
- Ricopertura con verniciatura in polvere: questo è un processo in cui la vernice in polvere viene spruzzata su una parte che viene poi cotta in forno. Questo crea uno strato forte, resistente all'usura e alla corrosione che è più durevole rispetto ai metodi di verniciatura standard. È disponibile un'ampia varietà di colori per creare l'estetica desiderata.
- Elettrolucidatura: l'elettrolucidatura è un processo elettrochimico utilizzato per lucidare, passivare ed eliminare sbavature di parti metalliche. È una lavorazione utile per ridurre la rugosità superficiale.
- Spazzolatura: il metallo spazzolato o lucido opaco è un metallo con finitura satinata unidirezionale. Viene prodotto lucidando il metallo con una cinghia o una ruota a grana 120-180, quindi ammorbidendolo con un composto senza grasso a grana 80-120 o con una cinghia o un tampone abrasivo. I metalli comunemente spazzolati includono acciaio inossidabile, alluminio e nichel. Sul sito web https://www.pcbway.com/rapid-prototyping/CNC-machining/CNC-Milling.html è riportato l’elenco dei requisiti e specifiche delle varie finiture standard.
Conclusioni
Le tecnologie digitali e le fresatrici CNC consentono la risoluzione di molti problemi che non possono essere facilmente risolti con metodi tradizionali. La tecnologia si avvicina al processo di lavorazione in un modo più efficace ed efficiente. Ad esempio, senza una fresatrice CNC, il processo di taglio del metallo per le parti di automobili o anche per i componenti aerospaziali sarebbe molto più rischioso. Con il supporto di programmi per computer, è possibile accedere e creare disegni ad alta definizione che possono essere facilmente convertiti in coordinate cartesiane. Questo processo aiuta anche a ridurre i costi di prototipazione. Nella pagina web “CNC Machining” di PCBWay https://www.pcbway.com/rapid-prototyping/manufacture/?reffercode=EFGQ è possibile caricare un progetto e configurare le parti elencate per ottenere un preventivo.
