FRESADORA CNC DE BAIXO CUSTO - SUSY
Marcus Paulo Soares Dantas
1, Orivaldo Vieira De Santana Junior
11 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
Avenida Senador Salgado Filho 3000 - Campus Universitário 59078-970 – Natal – RN
Resumo Este trabalho propõe uma solução de baixo custo para
a fabricação de placa de circuito impresso. Para este proposito foi construída uma máquina CNC capaz de desenhar circuito impresso em uma placa cobreada virgem. Esta CNC trabalha com uma fresa ou com uma caneta de tinta permanente. A construção desta máquina foi possível devido a disponibilidade de vários projetos de hardware aberto encontrados na internet. Dentre eles, foi selecionado aquele com custo baixo e com boa documentação. A partir do projeto escolhido algumas melhorias foram acrescentadas, principalmente na escolha dos softwares e da eletrônica. Algumas contribuições menores foram realizadas na estrutura mecânica. Três testes foram realizados, o primeiro para validar a calibração da movimentação dos eixos, o segundo para validar o uso da caneta e o terceiro para validar o uso da fresa. Os dois primeiro testes deram resultados satisfatórios. No terceiro teste, a fresa não retirou o cobre em um pequeno trecho do caminho percorrido, o que indica a necessidade de pequenos ajustes no projeto.
Palavras Chaves: Máquina CNC, fresa, placa de circuito
impresso, protótipo.
Abstract: This paper proposes a low cost solution to
manufacture printed circuit board. For this purpose it was built a CNC machine capable of draw circuit in a virgin copper-plate. This CNC works with a milling cutter or a marker pen. The construction of this machine was made possible by the availability of various open hardware projects found on the internet. Among them, we selected the one with low cost and good documentation. From the chosen project some improvements have been added, especially in the choice of software and electronics. Some minor contributions were made in the mechanical structure. Three tests were performed, the first to validate the calibration of movement axes, the second to validate the use of the pen and the third to validate the use of the cutter. The first two tests gave satisfactory results. In the third test, the cutter did not remove the cover on a short stretch of the path, which indicates the need for minor adjustments in the project.
Keywords: CNC machine, cutter, printed circuit board,
prototype.
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INTRODUÇÃO
Nos últimos anos, a fabricação digital está ficando cada vez mais acessível, principalmente a produção de objetos físicos através de fresadoras CNC (Comando Numérico
Computadorizado). Essas máquinas, que no passado eram operada manualmente, foram automatizadas por sistemas computacionais acelerando o processo de fabricação [PÉRES, 2014, p. 02]
Além da necessidade de produção a indústria necessita de peças cada vez mais precisas, pois um erro em uma peça pode custar bilhões de reais, por exemplo, um problema em um lançamento de satélite. Essa precisão é muito difícil de ser alcançada em peças feitas em fresadoras manuais utilizadas pelo homem. Essa necessidade motivou diversas pessoas a buscarem as mais diversas soluções para produção dessas peças e a melhor solução encontrada foi o Comando Numérico Computadorizado (CNC, do inglês Computer Numeric
Control). Esse método permite que maquinas sejam controladas
através de números e letras codificadas, o sistema interpreta esses códigos e os convertem em sinais que são enviados para os componentes da máquina.
A origem do CNC permitiu que a produtividade da indústria aumentasse bastante assim como a precisão dos produtos. A aplicação do CNC na indústria permitiu que peças complexas fossem fabricadas para as indústrias automobilísticas, aeronáutica, etc. [PÉRES, 2014, p. 03]
Com o desenvolvimento do CNC e com o avanço da internet, diversos projetos puderam ser reproduzidos e melhorados, a partir desse desenvolvimento este artigo propõe uma fresadora
CNC de baixo custo que recebeu o nome de Susy.
A necessidade de produção de placas de circuito impresso para diversos projetos do grupo de robótica foi a principal motivação para produção dessa fresadora CNC, pois antes utilizávamos o processo de transferência térmica, durante esse processo ocorreram muitas falhas além de ser um processo bem demorado e complexo.
Este artigo está organizado da seguinte forma: a seção 2 aborda a construção da fresadora CNC, os softwares utilizados e sua estrutura de custos. A seção 3 aborda os procedimentos feitos para realização dos testes das placas feitas. A seção 4 mostra todos os resultados obtidos a partir dos testes feitos com a fresadora CNC, por fim a seção 5 mostra as conclusões que obtemos a partir do desenvolvimento do nosso projeto.
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O TRABALHO PROPOSTO
A Susy é uma fresadora que utiliza o CNC. A máquina foi construída no Laboratório de Automação e Robótica (LAR) da
Escola de Ciências e Tecnologia (ECT) da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN), tendo como base o projeto do professor Marlon Nardi Walendorff 1, a construção
da fresadora teve como objetivo principal a confecção de placas de circuito impresso (PCB) para os projetos dos alunos que fazem parte do LAR e de toda a UFRN. Na construção do projeto participaram ativamente dois alunos do Bacharelado de Ciências e Tecnologia da UFRN, a sua montagem foi dividida em cinco partes: A primeira parte consistiu basicamente na obtenção de medidas mais precisas do projeto original pois no documento disponibilizado no site do
Figura 1 - Montagem do eixo z e fixação da micro retifica.
professor Marlon não estava bem clara quais medidas de cada parte do projeto deveriam ser utilizadas, na segunda parte do projeto foram realizados os cortes das partes de madeira da máquina com base nas medidas obtidas na primeira parte, na terceira parte foi montado o eixo z e feita a fixação da micro retifica (Figura 1), a montagem do eixo x e y foi feita na quarta parte da montagem do projeto (Figura 2), por fim foram feitos diversos testes de movimentação para verificar possíveis travamentos das barras roscadas, a movimentação dos motores é feita através de um firmware 2 instalado no micro controlador
utilizado, na fresadora Susy foi utilizado o grbl na sua versão 09j, a versão final da fresadora pode ser observada na figura 03.
O grbl é um firmware gratuito e open source, ele é ideal para
CNC’s pois possui um alto desempenho para controlar os
movimentos dessas maquinas [CONRADO 2016, p.01], atualmente diversas impressoras 3D, maquinas de corte laser e
CNC’s utilizam o grbl devido ao seu grande desempenho e
facilidade de uso, esse firmware foi escrito na linguagem de programação C, o grbl foi criado de modo que todos os recursos sejam otimizados para que ele consiga ser executado tranquilamente no chip Atmega328p presente no Arduíno Uno, um dos fatores que contribui para o crescimento do grbl além do apoio de grandes empresas como a Carbide 3d e OpenBulds foi o fato de que em 2009 o criador do firmware, Simen Svale Skogsrud, abriu o código do mesmo para toda a comunidade3
possibilitando assim que diversas pessoas de todo o mundo contribuíssem com o código e melhorassem sua performance e otimização contribuindo para o sucesso no mercado de CNC’s. 1Disponível em: professormarlonnardi.blogspot.com.br/p/cnc-caseira.html
2Firmware é um conjunto de instruções operacionais no hardware. [PALHARES, 2011, p.01]
3 Página no github do grbl: https://github.com/grbl/grbl
Além do grbl existe um software que é essencial para a fresadora CNC, esse software é o bCNC4, assim como o firmware utilizado no projeto ele é open source, ele é baseado
na linguagem de programação python 5, o que possibilita o seu
uso em várias plataformas, podendo ser executado no
Windows, Linux ou mac. No quesito performance, o bCNC é
bem robusto e rápido pois ele foi otimizado a ponto de enviar perfeitamente qualquer código G 6 sem nenhum travamento em
computados bem antigos ou bem modestos como um
Raspbarry Pi. Outro ponto que mostra a vantagem do bCNC
em relação aos outros softwares disponíveis no mercado é a opção de auto nivelamento que é essencial para fresadoras
CNC’s que trabalham com a confecção de placas de circuito
impresso. O auto nivelamento é simples e pode ser feito colocando uma ponta de prova na placa e outra na ponta da fresa, ao acionar essa função o software faz com que a fresadora desça até que a ligação seja fechada, quando isso ocorre é salva uma posição no software que corresponde ao desnivelamento da mesa, essa escolha foi uma das diferenças entre o projeto da fresadora CNC Susy e a fresadora do professor Marlon.
Figura 2 - Montagem do eixo x e y e finalização parcial da estrutura.
A fresadora CNC Susy se diferencia do projeto da fresadora do professor Marlon em quatro pontos principais: O primeiro ponto é que a Susy utiliza o CNC Shield, pequena placa de expansão para o Arduino Uno que possui quatro slots para controlar drivers A4988 além disso ele suporta tensões de 12v a 36v, enquanto o projeto do professor Marlon utiliza easy
drivers, o segundo ponto é a base de fixação da fresadora CNC
desenvolvida no LAR-ECT-UFRN, ela utiliza uma base com diversos furos para facilitar a fixação de objetos que podem ser fresados enquanto a fresadora do professor Marlon utiliza fita dupla face, o terceiro ponto é a fixação do motor do eixo z, nos utilizamos metal fixado na mateira para fixar o motor e o outro projeto utiliza a própria madeira para fazer o mesmo, por fim o quarto ponto de diferença entre os projetos é o software de movimentação, nos utilizamos o bCNC, por outro lado o 4 Página no github do bCNC: https://github.com/vlachoudis/bCNC
5 Python é uma linguagem de programação de altíssimo nível orientada a objeto, de tipagem dinâmica e forte, interpretada e interativa. [BORGES, 2014, p. 14]
6 O código G foi desenvolvido para padronizar os códigos utilizados pelas máquinas CNC. [MIRANDA, 2009, p. 02]
professor Marlon utiliza o Universal G-code Sender que possui apenas a opção de envio de código G.
No projeto foram utilizados um Arduíno Uno D’AUSILIO(2012, p.316), uma plataforma de prototipagem eletrônica de hardware livre, baseada no microcontrolador ATmega328, que contem quatorze pinos de entrada e saída digitais onde seis deles podem ser utilizados como Pulse Width
Modulation (PWM), além disso o Arduíno Uno possuí seis
portas analógicas, um cristal oscilador de 16MHz e uma conexão Universal Serial Bus (USB). Além deste, um CNC
shiel, três motores de passo bipolares Nema 17, uma micro
retifica e uma fonte de 5A e 12v. Na parte estrutural da máquina fora utilizadas algumas peças de madeira parafusadas entre si, 6 trilhos telescópicos de gaveta light 25 CM, 3 barras roscadas de ¼ com 25 cm de comprimento e 3 porcas para barras roscadas de ¼.
Figura 3 - Versão final da fresadora Susy.
2.1 Custo
Um dos principais pontos que foram priorizados no projeto foi a questão do custo de produção da fresadora CNC, por esse motivo em nossas reuniões optamos por utilizar somente
softwares gratuitos, essa escolha faz com que o usuário não se
preocupe em adquirir licenças de softwares que por muitas vezes são bastante caras, outra opção no projeto é a escolha de
softwares open source isso possibilita que usuários mais
avançados possam solucionar bugs futuros que os softwares possam apresentar. Na escolha do micro controlador a prioridade também foi o custo, escolhemos o Arduíno Uno pois seu preço é bem acessível além de sua comunidade ser bem ampla e bem ativa.
Tabela 1 - Estrutura de custos
Descrição Preço (R$) Fornecedor
CNC Shield R$ 5,23 Aliexpress
Driver A4988 (Unidade) R$ 4,42 Aliexpress
Motor de passo nema
17(Unidade) R$ 38,38 Aliexpress Arduino Uno R$ 12,81 Aliexpress
Fonte Chaveada Industrial 60W 12V 5A
R$ 48,30 SoldaFria 2 metros de Barra roscada
de ¼
R$ 6,30 Parafusos e Acessórios Porcas de ¼ (Unidade) R$ 0,10 Parafusos e Acessórios Trilho Telescopico Ligh
(Par) R$ 6,70 Barbosa LTDAValfredo e Micro Retífica R$ 229 ShopTime Acoplador Sanfonado R$ 3,64 Aliexpress
Na tabela 1 podemos observar a estrutura de custos da fresadora CNC Susy, após realizar a soma de todos os componentes chegamos ao resultado final de R$ 465,78, esse valor equivale a mais ou menos 10% do valor das fresadoras
CNC disponíveis no mercado brasileiro, desse modo o preço
favorece a construção da máquina nas mais diversas instituições de ensino (Universidades, Institutos Federais, Escolas Técnicas, etc.) ou laboratórios pessoais.
3
MATERIAIS E MÉTODOS
Após a finalização das etapas de construção citadas na seção anterior foram realizados alguns testes para analisar e observar a performance da fresadora CNC. O primeiro teste consistiu na geração de um quadrado de 2cm x 2cm para testar a angulação de 90º da fresadora CNC, o quadrado foi feito no paint, aplicativo que faz parte da suíte de acessórios do Microsoft Windows que permite a edição e criação de imagens. Logo após a criação do quadrado a imagem foi aberta o no Inkscape
7, software livre para editoração eletrônica de imagens e
documentos vetoriais, com o auxílio do plug-in gcodetools. Esta ferramenta, gcodetools, permite que o inkscape exporte imagens para código G. O envio do código G para a fresadora
CNC Susy foi realizado através do bCNC.
No segundo teste a micro retifica foi retirada para dar lugar a uma caneta de tinta permanente. A intenção desse teste foi realizar desenhos sobre uma placa de cobre para posteriormente ser feita a corrosão numa solução ácida preparada com percloreto de ferro (FeCl3). A placa que foi
utilizada no teste foi feita no software fritzing 8, software open source que permite a criação de circuitos eletrônicos. Após a
criação da placa ela foi exportada para um formato de produção
geber. Segundo VICTOR (2008, p. 01) o gerber é um formato
padrão universal de arquivo composto de uma combinação de comandos gráficos utilizados por equipamentos tipo fotoploter para a formação das imagens da placa de circuito impresso. Este formato pode ser gerado a partir de qualquer programa para projeto de placa de circuito impresso. Esses arquivos foram abertos em outro software o flatcam9, software open source que permite que os arquivos gerber sejam exportados
para codigo g. Após abertos os arquivos foram exportados para código G e enviados para a fresadora CNC através do bCNC. O terceiro teste foi similar ao segundo, a principal diferença é que no terceiro teste a micro retifica foi recolocada com uma fresa especifica para cortes de placas de circuito impresso. Todos os outros passos de criação de circuito, a geração de arquivos gerber e código G foram similares aos do segundo 7 Página oficial do inkscape: https://inkscape.org/
8 Página oficial do fritzing: http://fritzing.org/ 9 Página oficial do flatcam: http://flatcam.org/
teste, tendo apenas diferenças nas velocidades de cortes e profundidade.
4
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Uma vez que os testes foram concluídos podemos observar os resultados, após a conclusão do primeiro teste descrito na seção anterior chegamos ao seguintes resultado (Figura 3).
O quadrado teórico produzido através do software teria as medidas de: 2cm x 2cm e um ângulo de 90º nas suas vértices, o quadrado produzido pela fresadora CNC possui as medidas de aproximadamente 2,001cm x 2,001cm e um ângulo de aproximadamente 90,00093º nos vértices, logo é possível observar que a máquina possui uma precisão aceitável para projetos de placas de circuito impresso.
Figura 4 - Quadrado 2cm x 2cm feito na fresadora CNC.
Após a realização do primeiro teste e observação dos seus resultados o segundo teste foi realizado, os resultados do segundo teste podem ser observados na Figura 5.
O resultado obtido na figura 5 foi bastante satisfatório pois ele foi fiel a placa produzida no software. Após a fresadora CNC ter concluído o desenho a placa foi corroída no percloreto de ferro e funcionou corretamente, esse processo se mostrou bastante vantajoso em relação aos utilizados anteriormente para confecção de placas pois era utilizado o processo de transferência térmica que é demorado e exige bastante prática.
Figura 5 - Placa feita com pincel de tinta permanente na fresadora CNC.
A placa da figura 5 é bem simples, desse modo decidimos tentar fazer uma placa um pouco mais complexa, para testar mais ainda a precisão da nossa fresadora CNC, a placa da figura 6 já foi corroída e apresenta trilhas bem complexas mostrando o grande potencial da fresadora CNC.
Figura 6 - Placa complexa feita pela fresadora CNC.
O terceiro teste obteve um resultado bem satisfatório (Figura 7), porém apresentou algumas falhas em questões de isolação da placa devido ao desnivelamento da mesa de impressão, foi devido a esse problema que adotamos o bCNC antes utilizávamos o Universal G-code Sender.
Figura 7 - Placa feita com fresa especifica para placas de circuito impresso.
Como pode ser observado na figura acima as trilhas ficaram muito boas, mostrando o potencial da fresadora CNC Susy. A partir dos testes feitos foram feitas algumas analises para observar qual seria o melhor método de produção de placas, com a caneta de tinta permanente ou com a fresa especifica para PCB’s, os resultados podem ser observados na tabela 2:
Tabela 2 - Analise de dados de impressão.
Método utilizado Caneta Fresa Velocidade
máxima de movimentação
300mm/min 150mm/min Tempo gasto com
o desenho do circuito.
8min e 47s 17min e 46s Tempo gasto com
a corrosão da placa.
32min e 45s Não é necessária a corrosão Tempo total 41 min e 30s 17min e 46s A partir da tabela 2 podemos observar que o método de produção de placas com a fresa se mostrou bem mais vantajoso, pois ele é bem mais rápido do que o método com a caneta, a produção da placa com a caneta pode ser bem mais
rápida porém o tempo gasto com a corrosão da placa é muito grande, durante esse tempo podem ser feitas quase duas placas com a fresa. Além disso o processo de corrosão é um pouco perigoso e deve se tomar bastante cuidado quando está sendo o feito o manuseio do percloreto de ferro.
5
CONCLUSÕES
Levando em consideração os processos de produção de placas de circuito impresso de algumas décadas atrás a ideia de construção de uma máquina pequena e compacta que pudesse cortar trilhas nas placas de cobre não era muito palpável. Porém com o decorrer dos anos e com a popularização da internet, as divulgações de projetos, imagens, CAD’s ficaram bem mais difundidas. Essas divulgações possibilitaram que diversos projetos pudessem ser reproduzidos e melhorados, apontando erros e melhorando cada vez mais e mais o projeto original.
A adaptação e melhoria do projeto original fez com que observaremos alguns pontos fortes no projeto. O primeiro ponto forte foi seu tamanho em relação as outras CNC’s. Além disso o preço da fresadora CNC Susy é bem mais barato se comparado com as outras CNC’s disponíveis no mercado. A facilidade de construção do seu projeto assim como a simplicidade no manuseio de softwares da CNC Susy são de extrema importância para usuários mais novatos no ramo. Quanto a sua precisão a fresadora mostrou resultados satisfatórios além de apresentar um desempenho melhor em relação ao processo de fabricação com químicos para placas de circuito impressos.
Por outro lado o projeto apresentou alguns pontos fracos que também devem ser ressaltados: o desnivelamento da mesa causou um certo incomodo porém foi rapidamente solucionado por software, os trilhos possuem uma certa folga que podem causar alguma imprecisão para projetos que necessitem de precisão; em caso de corte de madeira deve ser tomado um cuidado com o pó pois ele pode entrar dentro dos trilhos e causar atrito podendo fazer com que ocorram travamentos no deslocamento da máquina.
Ainda que os trilhos ofereçam uma precisão satisfatória para os projetos que desenvolvemos no laboratório para projetos futuros ou para pessoas interessadas nesse projeto que desejem melhorá-lo ou busquem mais precisão é recomendado o uso de barras lineares, elas irão ter menos folgas e consequentemente irão dar mais precisão para o projeto. Além disso para trabalhos futuros com CNC’s o grbl é uma alternativa que se mostrou muito boa, assim como o bCNC apresentando uma performance satisfatórias em todos os momentos.
Durante a construção do projeto diversos desafios foram enfrentados, entre os mais complexos podemos citar a questão do alinhamento da barra roscada com a porca dos eixos e a fixação de porcas nas bases.
Dessa maneira esperamos que a construção da fresadora CNC Susy possa auxiliar a comunidade, contribuindo para o crescimento de novas tecnologias na área e servindo como uma base para construção de novas fresadoras CNC’s cada vez mais complexas e precisas.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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PROGRAMA DIDÁTICO COMPUTACIONAL DESTINADO À GERAÇÃO DE CÓDIGOS DE COMANDO NUMÉRICO A PARTIR DE MODELOS 3D OBTIDOS EM PLATAFORMA CAD CONSIDERANDO A TÉCNICA PROTOTIPAGEM RÁPIDA. Belo Horizonte: UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA, 2009. p.1-112.
PÉREZ, A. H. CONTROL DE UNA FRESADORA CNC DE USO DIDÁCTICO. Mexico: Instituto Politécnio Nacional. 2014. p 1 - 149
