Каждая сборка платы на SMD-компонентах у меня начинается с одного и того же вопроса: «Как аккуратно нанести паяльную пасту на эти крошечные контактные площадки?» И правильный ответ — использовать трафарет из нержавеющей стали. Но если заказывать такой под каждый прототип, то это обойдётся в копеечку, плюс придётся ждать. Мы в своей конструкторской лаборатории делаем прототипы плат постоянно, поэтому мне хотелось найти возможность изготавливать трафареты на месте. И идеальный материал нашёлся прямо в мусорном баке — им оказалась пустая банка из-под газировки.

В таких банках используется тонкий, жёсткий и гладкий алюминий — как раз то, что нужно для трафарета. Самое же сложное — это вырезать из изогнутой банки чистый и плоский кусок без острых, заусенчатых краёв. Специально для этого я спроектировал во Fusion 360 резак, который можно распечатать на 3D-принтере. Этот резак полностью параметрический — снимаешь размеры, меняешь два значения и печатаешь подходящую модель — хоть под вытянутую банку, хоть под стандартную.

Так что в этом руководстве я покажу:

• как настроить и напечатать подходящий шаблон для резки банок;

• превратить пустую банку в ровный лист алюминия;

• вырезать из него трафарет для паяльной пасты;

• использовать готовый трафарет для нанесения этой пасты на печатную плату и произвести пайку оплавлением.

Имейте в виду. Для резки алюминия нужен волоконный лазер, углекислотный не справится. Если у вас такого нет, поинтересуйтесь в местной конструкторской лаборатории или закажите на маркетплейсе.

Всего одна банка плюс немного терпения — и вуаля, мусор превращается в инструмент для создания печатной платы.

Что потребуется

Ещё фото

Материалы

• пустая банка из-под газировки;

• резак, напечатанный на 3D-принтере (из PLA);

• 1 винт M3 × 25 мм (для ручки);

• 2 винта M3 × 12 мм под шестигранник (для крышки лезвия);

• 3 гайки M3;

• сменное лезвие 9 мм для канцелярского ножа;

• паяльная паста;

• чистая печатная плата и SMD-компоненты для неё;

• малярный или каптоновый скотч;

• бумага для выпечки или тефлоновый коврик.

Инструменты

• 3D-принтер (я использовал Bambu Lab A1 Mini)

• штангенциркуль;

• шестигранный ключ или отвёртка под винты M3;

• плоскогубцы — отламывать сегменты лезвия;

• ножницы;

• защитные перчатки;

• мелкозернистая наждачная бумага;

• утюг или термопресс;

• волоконный лазер (xTool F1 Ultra или аналогичный);

• ракель или старая кредитка;

• пинцет;

• нагревательный стол, строительный фен или печь для оплавления;

• дымоуловитель.

Шаг 1: почему именно кастомный резак?

Ещё фото

Есть более десятка способов разрезать пустую банку из-под газировки и превратить её в лист — большинство можно найти на YouTube или в других уголках сети. Самый простой — это использовать обычный канцелярский нож и ножницы. Но мне хотелось разработать такой процесс, который мог бы легко освоить любой без лишней траты сил и времени.

Второй аргумент связан с соображениями безопасности. Всё же эти банки сделаны из тонкого алюминия, и при их резке можно легко порезаться об края. Так что использование специального резака и перчаток делает процесс намного безопаснее и проще.

В поисках идеальной приспособы для резки я наткнулся на несколько весьма интересных и полезных решений:

• Parametric Soda Can / Bottle Cutter

• Soda Can Edge Guard

• Soda Can Cutter

Я скачал чертежи и распечатал эти детали для теста, но быстро осознал, что размеры банок сильно различаются в зависимости от бренда и страны (Red Bull, 7UP, Predator и так далее). Хорошо, что один из резаков оказался параметрическим. Вот только написан он был полностью кодом, и ради изменения параметров мне пришлось устанавливать OpenSCAD.

Испытав получившийся резак в деле, я понял, что для ровного отрезания второй стороны банки был бы нелишним хороший верхний упор. Защитный кожух помогает решить эту проблему, но это отдельная модель, подходящая исключительно для стандартных банок на 355 мл.

Тогда я и решил спроектировать собственный шаблон во Fusion 360 — полностью параметрический и объединяющий в себе резак с верхним упором. Теперь достаточно просто изменить значения в таблице параметров, распечатать модель (за считанные часы), добавить пару винтов, лезвие канцелярского ножа и готово — в вашем распоряжении удобный инструмент, идеально подходящий под нужные банки.

Шаг 2: принцип работы резака

Фото

Резак состоит из пяти деталей:

• Основание: кольцо, которое удерживает банку в вертикальном положении. Банка находится в этом кольце и в процессе резки легко вращается.

• Держатель ножа: блок сбоку основания, в котором фиксируется лезвие. Лезвие проходит сквозь прорезь в стенке кольца и упирается в банку.

• Крышка лезвия: фиксирует лезвие, чтобы оно при резке не играло.

• Ручка-регулятор: вращает винт, который постепенно задвигает лезвие вглубь, позволяя контролировать глубину реза.

• Верхний упор: вставляется в открытую часть банки после того, как срезана верхушка. Он надёжно удерживает банку и позволяет крепко её захватить для отрезания донышка, а также закрывает острый край, защищая руку от пореза.

Как его использовать:

• Вставьте банку в основание донышком вниз.

• Слегка поверните ручку, чтобы лезвие лишь коснулось банки.

• Проверните банку вокруг собственной оси на 360°, после чего немного задвиньте лезвие; повторяйте, пока не отрежете верхушку.

• Переверните банку, вставьте верхний упор с отрезанной стороны и точно так же отрежьте донышко.

• Разрежьте получившийся цилиндр вдоль — и вот у вас довольно ровный лист алюминия.

Главное — резать медленно и ровно, не заглубляя лезвие слишком сильно. Так вы получите чистый рез без зазубрин.

Шаг 3: подгонка под банку

Ещё фото

Банки бывают разного размера, поэтому я сделал резак параметрическим. Вам достаточно поменять всего два значения, и вся конструкция подстроится под нужные размеры.

1. Измерьте банку

С помощью штангенциркуля измерьте:

• Диаметр банки в её прямой части, а не в области выступающих бортиков у донышка и верхушки.

• Высоту среза верхушки: расстояние от верхнего бортика вниз до начала прямой стенки сразу под расширяющимся конусом. Срез в этом месте позволяет получить ровный, гладкий лист.

2. Откройте макет во Fusion 360

Скачайте прикреплённый файл .f3d, откройте его и перейдите в раздел Modify → Change Parameters.

3. Исправьте два пользовательских параметра

• can_diameter (по умолчанию 57,9 мм): устанавливает размер кольца-основания и верхнего упора.

• can_top_cut_off_height (по умолчанию 13 мм): определяет место отреза верхушки банки.

Введите измеренные значения и кликните OK — все детали обновятся автоматически.

4. Экспорт для печати

Кликните правой кнопкой мыши по каждому телу, выберите Save as Mesh и экспортируйте его в формате STL или 3MF. Либо перейдите в меню File → Export, выберите 3MF, укажите имя и сохраните.

• Файл Parametric_can_cutter.f3d можно скачать в оригинале статьи.

Шаг 4: печать резака

Ещё фото

Настроив параметры под свою банку, я экспортировал детали в формате 3MF и напечатал их из PLA на Bambu Lab A1 Mini.

Настройки печати:

• Layer height (высота слоя): 0,2 мм

• Infill (заполнение): 20%

• Walls (количество стенок): 3, для держателя лезвия используйте 4, чтобы оно фиксировалось максимально жёстко.

• Supports (поддержки): on build plate only (только от печатного стола).

• Print time (время печати): в моём случае 1 час и 11 минут на весь набор.

Все детали печатайте плоской стороной вниз, как показано на фото.

Что потребуется для сборки:

• 1 винт M3 × 25 мм и 1 гайка M3 для регулятора;

• 2 винта M3 × 12 мм и 2 гайки M3 для крышки лезвия;

• 1 лезвие 9 мм для канцелярского ножа.

Сборка:

• Очистите напечатанные детали от поддержек.

• Отломите один сегмент от лезвия ножа; делайте это с помощью пассатижей, лезвие может неожиданно лопнуть.

• Вдавите гайки М3 в предназначенные для них пазы.

• Прикрутите регулятор.

• Задвиньте сегмент лезвия в держатель.

• Установите крышку лезвия и затяните её двумя винтами.

Ваш резак готов!

• Файлы Parametric_can_cutter-53mm.3mf и Parametric_can_cutter-57.9mm.3mf можно скачать в оригинале статьи.

Шаг 5: подготовка банки

Ещё фото

Возьмите пустую банку, хорошенько промойте её изнутри и дайте полностью высохнуть. Выбирайте банки без вмятин или только с незначительными дефектами. Из-за них рез может получиться неровным, а на листе останутся отметины.

Также проверьте ушко на верхней крышке. Оно должно плотно к ней прилегать, а не торчать. В приподнятом виде эта деталь будет мешать вам вращать банку в резаке. Здесь у вас два варианта:

• Отломить его, несколько раз отогнув вперёд/назад. Будьте осторожны с острыми краями отверстия.

• Развернуть в сторону отверстия и слегка вдавить, чтобы он занял ровное положение.

Шаг 6: разрезание банки

Ещё фото

На этом этапе наденьте перчатки. Края отрезанного алюминия очень острые.

Первый отрез: дно банки

• Ослабьте регулятор, чтобы лезвие задвинулось в держатель.

• Вставьте банку в основание дном вниз, зафиксируйте ровно.

• Выдвиньте лезвие так, чтобы оно коснулось стенки банки.

• Удерживая резак неподвижно одной рукой, другой проверните банку на 360°. Лезвие очертит вдоль её стенки линию. Это можно будет почувствовать во время вращения.

• Ещё немного выдвиньте лезвие и снова проверните банку.

• Повторяйте эти шаги, пока донышко не будет отрезано.

Не спешите. Углубляйте рез в несколько шагов, чтобы получить ровные, аккуратные края. Если сразу задвинуть лезвие слишком сильно, банка помнётся или порвётся.

Второй отрез: верхушка банки

• Ослабьте регулятор и вытащите банку.

• Переверните резак основанием вверх. С этой стороны лезвие окажется расположено на нужной высоте для срезания верхушки.

• Вставьте верхний упор в банку со вскрытой стороны. Он зафиксирует её круглую форму и закроет острый край.

• Разверните банку и вставьте в резак верхушкой вниз, упор окажется сверху.

• Повторите тот же процесс — выдвиньте лезвие, проверните банку, ещё немного выдвиньте, проверните и так до полного отреза верхушки.

Разрезаем получившийся цилиндр

Извлеките из банки упор. Теперь у вас получился открытый алюминиевый цилиндр. Разрежьте его ножницами, взяв за ориентир какую-нибудь прямую линию или края букв на узоре банки, и разверните в сплошной лист.

Совет. Сразу убирайте обрезки и срезанные кольца в отдельную корзину. Их легко забыть на рабочем столе и ненароком порезаться.

Шаг 7: выравнивание листа

Ещё фото

После разреза цилиндра у вас получился лист алюминия, но он ещё не плоский и по старой памяти стремится свернуться обратно в банку. Сделать его идеально ровным можно несколькими способами. Какой бы вы ни выбрали, обязательно наденьте перчатки, чтобы не порезаться.

Край стола. Возьмите лист с двух сторон и протяните его через край стола изгибом вверх. Так вы изогнёте металл в обратную сторону и расправите его.

Нагрев и разглаживание. Нагрейте лист техническим феном, а затем прижмите и с усилием разгладьте его пластиковой или акриловой линейкой.

Утюг и пресс (рекомендую). Самый простой метод, какой я нашёл — это прогладить лист небольшим бытовым утюгом. Я также попробовал применить термопресс xTool, с помощью которого обычно переносят на ткань виниловые термонаклейки. Для меня этот вариант оказался лучшим. Нагрейте лист, зажмите его в прессе и дайте ему остыть под давлением. После остывания он останется абсолютно плоским.

Потребуется немного приловчиться, но вы быстро набьёте руку.

Совет. Положите между алюминием и утюгом (или термопрессом) лист бумаги для выпечки или тефлоновый коврик. Краска на банке от нагрева может размягчиться и прилипнуть к горячей подошве инструмента.

Шаг 8: создание файла трафарета

Ещё фото

Для этого трафарета я взял Gerber-файлы одного из своих старых проектов. У меня как раз осталось от него несколько плат. Вы, естественно, можете взять собственные Gerber-файлы.

Преобразование Gerber-файлов в образ

• Откройте gerber2png в браузере и загрузите файлы.

• Отключите слои дорожек, шелкографии, сверловки и контура, чтобы отображались только контактные площадки.

• Включите опцию B/W invert.

• Экспортируйте образ в PNG.

Трассировка в xTool Studio

• Импортируйте PNG в xTool Studio и кликните Trace. Система автоматически сгенерирует контуры, после чего нужно будет нажать Save.

• Удалите исходный образ: откройте панель Layers, кликните правой кнопкой по слою образа и удалите его. Остаться должен только векторный контур.

• Выделите составной вектор и нажмите Edit.

• Удалите контактные площадки, на которые не нужно наносить пасту. Я удалил площадки для выводов гребёнки — их я припаяю вручную позже.

• Также удалите контур платы — на трафарете должны остаться только отверстия для контактных площадок.

Теперь всё готово к лазерной резке.

Шаг 9: вырезание трафарета лазером

Фото

Настройка резки в xTool Studio

Выделите составной вектор. В панели настроек слева установите:

• Operation: Cut

• Laser type: Fiber IR

• Power: 100%

• Speed: 600 mm/s

• Passes: 10

Подготовка станка

• Положите пластину для резки на рабочую платформу F1 Ultra. Сверху положите алюминиевый лист. Пластину кладите обязательно, иначе лазер повредит базовую плиту станка.

• Придавите края листа чем-нибудь увесистым. От нагрева лазером алюминий будет скручиваться, поэтому его нужно зафиксировать.

• Подключите F1 Ultra и сфокусируйте лазер на верхней поверхности листа.

Позиционирование и резка

• Выведите изображение листа с камеры в xTool Studio и наложите поверх него проекцию чертежа.

• С помощью трассировки контура (Framing) убедитесь, что чертёж попадает в границы листа и не затрагивает грузики, которые вы положили по краям.

• Закройте крышку, отправьте файл на станок и нажмите Start на корпусе F1 Ultra.

У меня резка заняла всего около 10 секунд. Можете посмотреть процесс на видео.

Безопасность. Снаружи банки покрыты краской, а изнутри — тонким слоем пластика, и лазер выжигает оба этих покрытия. Поэтому держите крышку станка закрытой и обязательно используйте встроенный дымоуловитель или хорошую вентиляцию.

Шаг 10: очистка

Ещё фото

Получилось быстро, и результат выглядит шикарно! В отверстиях для контактных площадок могут остаться мелкие частички металла. Аккуратно вытолкните их пинцетом или иголкой, либо выдуйте сжатым воздухом.

Никаких видимых заусенцев в местах реза я не заметил, значит, мощность лазера была выбрана верно. Если в вашем случае они появятся, слегка пройдитесь по ним наждачкой, чтобы трафарет лёг на плату плотно.

И не забудьте очистить рабочую площадку xTool.

Шаг 11: нанесение паяльной пасты

Ещё фото

Фиксация платы

Для фиксации печатной платы удобно использовать несколько аналогичных плат такой же толщины. Разложите их вокруг, чтобы она оказалась по центру и не могла сместиться. Это, к тому же, обеспечит ровную поверхность под трафарет.

Выравнивание трафарета

Положите трафарет сверху и аккуратно совместите его отверстия с контактными площадками. Точное совмещение — это самое важное на данном этапе, так что не торопитесь. Как только всё совпадёт, зафиксируйте трафарет малярным скотчем.

Нанесение пасты

• Нанесите небольшую полоску пасты вдоль одного из краёв трафарета, чуть выше отверстий.

• Возьмите ракель (или старую кредитку) под углом и проведите ей по трафарету одним плавным, уверенным движением. Одного раза будет достаточно для аккуратного заполнения отверстий. Если водить туда-сюда, то паста начнёт забиваться под трафарет и смажется.

• Осторожно поднимите трафарет, чтобы не размазать пасту.

Теперь можно размещать компоненты.

Безопасность. Паяльная паста часто содержит свинец. По возможности работайте в перчатках и всегда мойте руки до и после процедуры.

Шаг 12: размещение компонентов и оплавление

Ещё фото

Расстановка компонентов

С помощью пинцета разместите все компоненты на покрытых пастой площадках. Если они сядут слегка неровно, ничего страшного. В процессе расплавления припоя поверхностное натяжение само выровняет каждую деталь по центру её площадок.

Оплавление

А теперь пора «готовить»! Для таких небольших плат мне вполне хватает нагревательного стола, рядом с которым я ставлю дымоуловитель. Разогрейте стол примерно до 280 °C, ориентируясь на рекомендации из технического описания вашей паяльной пасты.

Также можете проделать это строительным феном, нагревая плату медленно и равномерно. Либо с помощью печи для оплавления, если такая есть под рукой.

Очень приятно наблюдать, как паста плавится, и компоненты сами встают на свои места.

Шаг 13: результаты, ограничения технологии и советы

Ещё фото

Результаты

Результаты получаются весьма привлекательными для любого мастера, желающего наладить мелкосерийное производство печатных плат в домашней лаборатории или хакспейсе. Такой трафарет обходится почти бесплатно — нужна лишь пустая банка. Да, вам потребуется волоконный лазер, но они становятся всё более популярными, и их вполне можно встретить в тех же хакспейсах или среди любителей.

Имея кастомный резак, вы можете легко превратить банку в лист. И как только вы приноровитесь, на весь процесс — начиная с целой банки и заканчивая готовым трафаретом — будет уходить по 10-20 минут.

Ограничения

Основное ограничение в минимальном размере отверстий. Самый мелкий корпус, какой я пробовал распаивать таким образом, — это LGA-14. Результат получился годный, но не идеальный. Тем не менее такие трафареты подходят для большинства корпусов, которые я использую в прототипировании. И даже 16-контактный разъём USB Type-C получился отлично.

Советы

• Не торопитесь, когда разглаживаете лист. Чем ровнее он получится, тем аккуратнее удастся нарезать трафарет.

• Хорошо прижимайте лист на платформе лазера — в процессе резки при нагреве он будет сворачиваться.

• Для комплектов с очень мелким шагом выводов слегка шлифуйте лист наждачкой перед резкой и подбирайте настройки лазера.

• Всегда точно выравнивайте трафарет перед нанесением пасты. Большинство проблем возникает именно в результате неточного выравнивания, а не из-за самого трафарета.