В разнообразных мануалах, касающихся рассмотрения вопроса производства печатных плат, авторы обычно сильно концентрируются на процессе вытравливания/ выфрезерования печатных дорожек, а также сверления отверстий, оставляя за пределами рассмотрения, или рассматривая по «остаточному принципу» вопрос создания паяльной маски.

Поэтому, попробуем рассмотреть этот вопрос более подробно, в том числе, осветив некоторые неочевидные возможности, которые здесь имеются. 

Вообще говоря, на рассмотрение этого вопроса меня подтолкнул просмотр следующего видео:

Сразу скажу, что рассмотренный в видео выше вариант создания печатной маски достаточно удобен, и хорош тем, что позволяет создавать её даже при отсутствии какого-либо оборудования, не задействуя сложные производственные процессы.

Однако, видно что он достаточно кустарный, и, видно, что автор этого видео, использует целый ряд процессов, которые являются лишними, если бы пользоваться более профессиональными подходами, особенно это касается  случая, когда требуется производить более-менее серийные изделия, со стабильным качеством.

Здесь, под лишними процессами я подразумеваю, что требуется:

• распечатать на прозрачной плёнке маску, которую требуется затем прикладывать к каждой плате;

• подкладывать во время работы прозрачную лавсановую плёнку, которая в процессе работы пачкается, и надо её будет оттирать. Наверняка, будет со временем наблюдаться и износ (неоттираемые пятна, ухудшение прозрачности);

• оттирание засвеченных плат.

Причём, что интересно, мы можем видеть по видео выше, что автор использует технологию для штучного производства, в том числе и для серийного производства плат — что довольно нерационально, с точки зрения затрат времени.

Поэтому, при таких работах, если они наблюдаются с некоторой периодичностью (да и вообще, если нужно достаточно высокое качество), возможно лучше рассмотреть переход на изготовление подобных масок с применением шелкографии…

Несмотря на то, что это звучит с непривычки страшновато, на самом деле, это достаточно понятный процесс, который позволяет поднять качество и скорость производства на недосягаемую до этого высоту. :-) 

Так уж сложилось, что в прошлом, мне приходилось работать на шелкографическом производстве и, поэтому, вся информация ниже будет из первых рук, не увиденное где-то или прочитанное, так как я провёл достаточное количество времени там.

Немного забегая вперёд, скажу, что статья будет построена таким образом, что мы сначала рассмотрим детально процесс шелкографии, после чего, изучим ещё одну интересную альтернативную возможность, которую я никогда ещё не видел до этого, и которая просто просится быть исполненной, после ознакомления с процессом шелкографии.

Изготовление маски с применением шелкографии

Итак, шелкография…

Как нетрудно догадаться, сам факт наличия шёлка в этом процессе, недвусмысленно отсылает нас на Восток а именно, к первопечатникам древнего Китая, откуда предположительно, технология и распространилась, в том числе на Японию.

Суть процесса шелкографии заключается в продавливании красящего вещества сквозь трафарет,  который прочно сцеплён с основой, на базе  некоторой ткани.

Можно сказать, что  суть самой технологии (продавливание краски сквозь трафарет) дошла до нас практически в неизменном виде, хотя, конечно, все элементы конструкции и технологии как таковой, претерпели многократные изменения, сообразно времени.

Выглядит это примерно так:

На картинке выше выносками показаны ключевые элементы этого процесса.

Происходит процесс обычно следующим образом:

• В трафарет, изготовленный на базе деревянной рамы, наливается некоторое количество краски (она, по идее, должна была быть показана на картинке выше, в левой части, в виде своеобразной лужицы, прямо внутри трафарета,  налитой во всю длину трафарета).
  
  Краска, используемая для шелкографии, обычно имеет достаточно плотную консистенцию и похожа на майонез (по плотности) —  таким образом, если она налита в рамку с трафаретом, то, благодаря своей плотности, и достаточно  частому переплетению нитей в трафарете, она просто не может вытекать самопроизвольно вниз и, просто лежит в виде «кучи» на трафарете. :-)

• Далее, двумя руками печатник берёт в руки устройство, называемое «ракель» (В ), наклоняет его под углом примерно 45° и, устанавливает в самом начале рамки, таким образом, чтобы с правой части ракеля осталась наша куча с краской.

• Затем, энергичным движением, несколько надавливая сверху, печатник проводит ракелем по рамке слева-направо,  —  то есть, втирает и продавливает краску сквозь трафарет. Провести ракелем желательно только один единственный раз (слева-направо и всё; многократно проводить ракель нельзя), — чтобы не было размазывания краски по целевой поверхности. Несмотря на это, многие отступают от этого правила, но, если вы хотите качества… В общем, вы поняли. :-)
  
  На рисунке выше мы видим, что область, с размазанной по поверхности краской показана как (А),  открытый трафарет как (С), (D) — область, на которую ещё не была намазана краска, (E) — деревянная рама с трафаретом, (F) —  краска, продавленная сквозь трафарет, на целевую поверхность.

При этом процессе, трафарет и целевая поверхность устанавливаются таким образом, чтобы трафарет был укреплён на некотором расстоянии от поверхности — расстояние нужно для того, чтобы после того как произошло продавливание краски, трафарет сразу же отлип от поверхности и не размазывал краску.

Для тонких работ, рекомендуется расстояние в 1-3 мм, тогда как для грубых работ (например, печать вашей любимой рок-группы на футболке) расстояние может быть больше, например, вплоть до 5-6 мм:

Также, надо сказать несколько слов и про ракель... Обычно, он представляет собой своеобразный специализированный шпатель, длиной приблизительно около полуметра (на самом деле, длина может быть любой, в зависимости от того, какого размера у вас трафарет;  но, если говорить о печати на футболках, то он как раз где-то приблизительно около полуметра и есть)

Обычно его могут делать из специального алюминиевого профиля, с системой болтов, которые зажимают и удерживают «лезвие» (или «полотно») ракеля —  длинную пластину из специальных резиноподобных составов, которая обычно имеет ширину что-то порядка 2 см, толщину порядка 1 см и произвольную длину (в случае печати на футболках, эта длина составляет что-то около полуметра):

Материал лезвия (полотна) подбирается таким образом, чтобы он был и достаточно жёстким и достаточно мягким одновременно, —  то есть, достаточно эффективно продавливал краску сквозь сетку, и, в то же время, не повреждал её. 

Кроме того, материал лезвия подбирается так, чтобы к нему по минимуму липла краска определённого типа. Например, насколько мне известно, для работы с УФ-красками (то есть, утверждаемыми ультрафиолетом), используются силиконовые полотна ракелей.

Тут сразу надо сделать небольшое отступление, и сказать о таком моменте, что УФ-краски особенно хороши для работы в рамках шелкографии, так как они абсолютно не сохнут на воздухе, что, соответственно, означает долгое время работы трафарета (т.е. трафарет будет долговечным), где это время, по большей части, будет ограничено только механическим износом трафарета от трения ракелем,  а вовсе не из-за засыхания краски на трафарете! Это важно, поэтому отметим это для себя…

Теперь,  рассмотрим все основные ключевые этапы работы, в рамках шелкографии.

Макет

Для начала, изготавливается макет, в любом векторном редакторе на компьютере. Почему в векторном:  дело здесь в самом свойстве векторных изображений, важнейшим из которых для нас, в этом случае, являются абсолютно чёткие края участков изображения —  как снаружи, так и внутри разных зон.

Причина этого кроется в самой природе векторных изображений —  где кривая  описывает определённую область,  где ей (области) и задаётся один общий цвет.

Благодаря этому, область имеет абсолютно чёткие границы и масштабируемость без потери качества —  векторные изображения могут масштабироваться до любого размера, без его потери.

В противовес этому варианту, растровые картинки (например, фото со смартфона) представляют собой пиксельную сетку, с координатами каждого пикселя, и его цветом.  Например, для мониторов это будет, в одном из вариантов, RGB ( красный, зелёный, голубой),  для печати — CMYK (голубой, пурпурный, жёлтый, ключевой (т.е. чёрный или «key color») и т.д.

Таким образом, из-за конечности объёма информации, растровые картинки плохо масштабируются, в том плане, что теряют качество при масштабировании.

Однако, в нашем случае, нам интересно не это, а то, что благодаря свойствам самого формата, край растрового изображения всегда представлен в виде своеобразной лесенки (или «пилы»), без чётких границ (даже если они и кажутся таковыми). Слева показана векторная картинка, справа — растровая:

Для нас, в случае шелкографии, это является проблемой, так как не позволяет создать объекты с чёткими гранями, что особенно важно, в случае, если мы шелкографию собираемся использовать для паяльной маски печатных плат, где  может присутствовать множество мелких элементов.

В качестве векторного редактора для подготовки макета можно использовать, например, Corel Draw,  Adobe illustrator или, если мы собираемся пойти самым простым путём —  бесплатный векторный Open Source редактор Inkscape.

По опыту, могу сказать, что он ничуть не хуже Corel Draw, и поддерживает ту же идеологию, с практически  теми же функциями —  по крайней мере, я его довольно пристально изучал и не смог найти того, что бы отсутствовало и мешало работе.

Мало того, у него есть уникальная фишка, —  экспорт векторных изображений в g-code. То есть, если у вас есть какой-либо ЧПУ станок, или, скажем, лазерный гравёр, вы можете нарисовать изображение в этом редакторе, после чего экспортировать его в g-code, и запустить исполнение на своём станке! ;-)

Макет должен быть изготовлен в зеркальном отображении, далее мы увидим, почему.

На чём печатать макет

Довольно интересный момент заключается в том, на чём печатают готовый макет —  я видел, что до этого используют, например, полупрозрачную кальку (т.е. бумагу)  для лазерных принтеров, на которой и распечатывают изображение.

Далее, прямо поверх этого изображения распыляется так называемый аэрозольный фиксатив или фиксатор для чертежей, смесь, наподобие очень быстросохнущего лака (менее минуты),  что фиксирует распечатку от размазывания, и, одновременно, увеличивает оптическую плотность —  чёрный цвет становится очень глубоким, почти не пропускающим между точками распечатанного изображения свет (в трафарете не будет незапланированных дырок), а калька становится очень прозрачной.

В качестве более простой альтернативы можно попробовать использовать специальные прозрачные термостойкие плёнки для лазерных принтеров, — они уже содержат специальную поверхность для надёжного удержания тонера, а высокая прозрачность плёнки даёт хороший результат.

Сетка

По сути, вся технология шелкографии построена вокруг сетки, поэтому, следует о ней сказать особо… 

Те давние времена, когда для шелкографических сеток  применяли натуральный шёлк, — давно позади  и, в данный момент, для изготовления подобных сеток применяются синтетические волокна, где особняком стоит полиэфирное волокно, являющееся самым доступным, для домашних работ и не только.

При аккуратном использовании, это волокно является очень надёжным, позволяет пережить многие тысячи оттисков. 

Качество получающегося отпечатка напрямую  зависит от того, насколько  велика частота нитей на квадратный сантиметр. Говоря проще: чем нитей больше, тем более мелкие детали трафарета сетка может удерживать.

В практическом смысле, для печати достаточно толстым слоем, имеет смысл брать сетки, с количеством нитей примерно около 110 нитей на сантиметр. Если монтаж платы достаточно плотный, и требуется более тонкий слой маски, то, можно попробовать разрешение сетки даже побольше, вплоть до 140 нитей на сантиметр.

Тут ещё надо отметить, что если планируется использовать Уф краски, то для создания чётких контуров, следует брать жёлтого цвета сетку, так как, например, белая сетка, более подвержена  паразитному рассеиванию для этого спектра.

Рама для трафарета

Самый простой способ изготовления рамки для трафарета —  это сколотить её из обычных деревянных брусков, предварительно положив на ровную поверхность, чтобы как минимум одна плоскость рамки была максимально плоской — и это практикуется даже на производствах, как ни странно (видели, знаем…:-) ).

Далее, на эту раму натягивается сетка, максимально плотно, чтобы она практически звенела как барабан :-) —  и это я не шучу, она реально начинает звенеть, если её натянуть как следует, — получается своеобразный дорогостоящий бубен. :-)))

Сетка натягивается с помощью оборачивания брусков сетки по бокам, и прибивания с помощью гвоздиков или лучший вариант —  с помощью пистолета-степлера:

Сетка практически не растягивается, поэтому её натяжение протекает довольно лёгко.

После натяжения, можно дополнительно по бокам, на вертикальных плоскостях (где сетка прибита к раме) промазать сетку клеем —  чтобы сетка приклеилась к раме и держалась всей плоскостью, а не только за гвозди/скобы (иначе будет рваться со временем).

Светочувствительный состав (фотоэмульсия)

После того, как мы изготовили рамку, и натянули на неё сетку, необходимо на эту сетку  (как правило, в достаточно тёмном помещении),  намазать тонким слоем светочувствительный состав (называется «фотоэмульсия») —  намазку можно вести тем же самым ракелем, которым впоследствии будет размазываться и краска.

Намазку нужно вести по сетке не внутри рамки, а снаружи — т.е. со стороны дна! Зачем так: чтобы ракель впоследствии скользил по гладкой сетке, а не по шершавой, где была намазка!

Состав этот чувствительный к ультрафиолету,  и, после намазки, его нужно оставить в этом же помещении, примерно на час-полтора, чтобы он подсох прямо на сетке.

Засветка

После того как у нас был состав нанесён на рамку, и подсушен, настало время его засветить.

Для этого, рамка укладывается таким образом, чтобы сетка была наверху, и прямо поверх неё, укладывается распечатка (на полупрозрачной кальке или полупрозрачной плёнке для лазерных принтеров), которую мы сделали на одном из этапов ранее.

Опять же повторю, что макет должен был быть изготовлен в зеркальном отображении, так как мы его будем укладывать на нижнюю поверхность сетки, а печатать будем сверху.

Теперь, необходимо каким-то образом прижать к сетке распечатанный макет.

При промышленной технологии, для этого применяют специальное вакуумное устройство —  звучит довольно громко, но на деле, это выглядит «как самопальная конструкция, сделанная левой ногой» :-))) — и, по своей сути, представляет собой почти аналогичную конструкцию, похожую на аэрохоккей, только если представить, что на стол для аэрохоккея сверху уложили трафарет, поверх него, положили огромный пакет, с твёрдой рамкой по краям, из-под которого откачивается воздух, и он плотно прижимает трафарет с распечаткой друг к другу,  после чего, снизу происходит засветка ультрафиолетовой лампой, установленной под трафаретом, на столе. Примерную схему я показал ниже:

На практике, я поступал проще: просто-напросто, сверху, поверх распечатки укладывал оргстекло, сквозь которое светил ультрафиолетовой лампой:

Промывка

После засветки (конкретное время засветки указано на каждом составе, надо смотреть), остаётся только промыть рамку, где те места, куда попал ультрафиолет, твердеют, а те, которые были закрыты распечаткой (тёмными местами, где тонер), —  легко вымываются водой и остаётся чистая сетка.

Ну вот, собственно говоря, и всё, а как печатать, было написано выше! ;-)

Смыв старого трафарета

Через какое-то время вы поймёте, что этот трафарет, для вас устарел по каким-то причинам: механически изношен (очень вряд ли, там сотни и тысячи оттисков должны быть для этого), или вы передумали, и хотите сейчас сделать другую схему (гораздо более вероятно)… 

Как бы там ни было, просто так этот трафарет не смыть —  для этого применяется следующий подход: трафарет обрызгивается специальным составом-смывкой и оставляется так, во влажном состоянии на некоторое время (конкретное время тоже указано на смывке).

В результате этого, трафарет размягчается, и может быть легко смыт обычной водой из-под крана!

Многие для облегчения этого процесса используют такой лайфхак: смывают его  струёй мобильной автомобильной мойки под давлением (делают даже в бытовой ванне) —  получается весьма быстро и эффективно.

Что хочу отметить: несмотря на то, что технология, на первый взгляд, кажется какой-то муторной, из-за долговечности трафарета, а также того, что УФ-краска не сохнет на воздухе —  можно получить трафарет, который в домашних условиях, надо будет менять… Я даже не знаю когда! :-D  Скорее всего, никогда :- D.

Кроме того, это гораздо быстрее проделать на практике, чем вот так вот расписать подробно. Так что, не всё так страшно, как может выглядеть на первый взгляд...

Лайфхак, напоследок: многие приделывают к рамке дверные или мебельные петли (просто-напросто прикручивают саморезами),  чтобы она всё время поднималась и опускалась на одно и то же место —  это упрощает работу с ней; кроме того, на верхнюю часть рамки, прикручивают и дверную ручку, опять же, для удобства эксплуатации установки (как бы смешно это не  выглядело):

В качестве интересной идеи…

А теперь, очень интересный лайфхак, который, на мой взгляд, может кардинально увеличить качество и ускорить создание паяльных масок —  но он подойдёт только для владельцев фотополимерных принтеров. Итак…

Теперь, когда мы детально изучили технологию шелкографической печати, мы можем её модифицировать практически как угодно, и применять в своих целях!

Одним из таких интересных вариантов,на мой взгляд, является использование фотополимерного принтера, в качестве  шелкографического комплекса аж 3 в 1:

• средства засветки;

• средства прижима;

• средства формирования изображения.

Именно такого варианта я ещё не видел, и на мой взгляд, это было бы очень интересно!

Итак, как это могло бы выглядеть…

Для начала, давайте оговоримся, что, большинство любительских печатных плат, наверняка, будут достаточно маленького размера, можно даже условно сказать, «умещающимися на ладони».

Поэтому для большинства домашних задач, для нас будет достаточно даже весьма маленького размера шелкографической рамки, которая легко поместится на рабочий столик фотополимерного принтера:

• сначала, мы изготавливаем компактную рамку, с помощью, например, fdm печати;

• на рамку натягиваем профессиональную сетку для шелкографии;

•  намазываем на эту сетку профессиональной фоточувствительный состав, даём составу высохнуть;

• рамку с сеткой крепим на опускающуюся печатную платформу фотополимерного принтера;

• платформу с рамкой опускаем плотно на печатный столик, так, чтобы сетка была плотно прижата к печатному стеклу;

• засвечиваем трафарет ультрафиолетом принтера (сколько по времени светить — см. в паспорте конкретного фотосостава);

• снимаем рамку с принтера, промываем, крепим на петли (как мы видели выше, чтобы она откидывалась, наподобие двери и была удобна для использования);

• fdm-печатью распечатываем (из TPU, как вариант; к слову — полиуретановые полотна вполне используются при шелкографии)) или покупаем профессиональное ракельного полотно (т.е. резиноподобное лезвие);

• Крепим это полотно в самодельный, fdm-печатный ракель.

Вуаля — на выходе имеем абсолютно профессиональную технологию, только адаптированную для DIY,  и умещающуюся буквально на вашем письменном столе!

С таким подходом, можно легко тиражировать трафареты, смывать, переделывать и т.д. и т.п. —  то есть, технология даёт широчайшие возможности!!!

Где при этом, использование фотополимерного принтера, фактически заменяет целый комплекс оборудования —  в реальности, когда я видел эти вещи на производстве (чтобы вы понимали), для всех этих трёх процессов —  засветка, прижим, формирование изображения было выделено, как минимум, три комнаты! А у вас всё это будет умещаться на маленьком столе! О_о

 Поразительно? На мой взгляд, да… :-)

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.