DIY – Mini Fraiseuse de bureau pour PCB

C’est un projet au long cours que je vous présente ici. Fabien avais besoin d’une petite fraiseuse pour usiner des PCB maison, de mon coté, je me demandais à quel point il était possible de miniaturiser ce type d’outils, et d’en réduire les coûts.
Le declic : Le déclic lui à eu lieu suite à une formation à l’utilisation d’une découpeuse laser. En effet, cette machine permettait d’atteindre une précision remarquable lors de la découpe, ainsi que de faire des angles droits sans les problèmes d’arrondis habituels lors des découpes à la fraiseuse. Là, en voyant ça, ça a fait tilt : c’est comme ça qu’il fallais fabriquer cette fraiseuse ! Pour tout dire, je n’en ai pas dormis de la nuit, commençant déjà à imaginer les plans. D’ailleur, au bout d’un moment, j’ai finit par me relever, histoire d’aller dessiner tout ça et pouvoir enfin me libérer l’esprit (3h du matin quand même ^^)
Le lendemain, je soumet mes plans à Fabien, qui est tout de suite séduit par l’idée :
Construire une micro fraiseuse, entièrement en contreplaqué emboîté, d’une surface inférieure à une feuille A4 de manière à pouvoir tenir facilement sur un bureau, et étant capable d’usiner des circuits au format europe (10x16cm).

Commence alors un gros travail de dessin industriel, à base de logiciel libre (librecad). Le procédé de découpe laser nous autorise à ne dessiner que les découpes, donc simplement en 2d. Après une première version sortie, on se rend rapidement compte que tout ne peut pas être anticipé facilement, et que si l’on continue simplement en 2D, on risque de devoir sortir beaucoup de prototypes avant d’arriver à une version correcte. Nous avons donc utilisé SolidWorks, uniquement pour faire l’assemblage de nos pièces, et ainsi valider les différentes jointures.

L'assemblage virtuel

L’assemblage virtuel

Le premier prototype sorti nous avais enchanté par la qualité de la découpe : C’était beau, c’était pro ! Malheureusement pour nous, le second résultat était déjà nettement moins réjouissant. En fait, sous la dénomination « contreplaqué » une grosse quantité de variantes, dans les plaquages, les colles, et les remplissages. Et en achetant le meme bois, chez le même fournisseur, nous avons eu la malchance de tomber sur deux séries différentes, avec un rendu complètement différent. Là où la première se découpait bien, avec des bords nets, la secondes brûlait, et nos assemblages se transformaient en petits tas de charbons. A force de recherches, on a fini par comprendre qu’il fallait du contreplaqué « tout okoumé », c’est à dire dont l’âme est également en okoumé, et non pas en peuplier comme c’est souvent le cas.

Le deuxième prototype

Le deuxième prototype, on vois les traces de brûlé.

Concernant la partie mécanique, étant donné qu’elle est destinée au fraisage de pcb, peu d’efforts seront nécessaires, inutile donc de partir sur de gros moteurs. Nous avons donc utilisé des moteurs Nema11, qui offrent un couple largement suffisant pour une taille ridicule.

Le moteur nema11

Le moteur nema11

Les guidages linéaires se font via des douilles à bille glissant sur des stubs acier, l’entraînement est lui réalisé via une vis trapézoïdale.

La vis trapezoidale

La vis trapézoïdale et son écrou

Maintenant qu’on a les différentes pièces découpées, et qu’on a les différentes parties mécaniques, on peut commencer l’assemblage.

L'axe des X

L’axe des X

L'axe des X

L’axe des X

Axe des X vue d'ensemble

Une vue d’ensemble

Reste maintenant à voir ce que ça donne, une fois motorisé.

On remet ça pour l’axe de Y, toujours selon le même procédé, ainsi que l’axe des Z. Comme on est du genre un peu impatient, on a fait un premier essai, avec uniquement l’axe X + Y, et en remplaçant la fraise par un stylo. Autant dire qu’on est plutôt satisfait de ce premier résultat :)

Premier tracé sans l'axe des Z

Premier tracé sans l’axe des Z

Concernant le pilotage de la CNC à proprement parler, on utilise une carte Arduino Uno, sur lequel est installé Grbl (pour l’interprétation du gcode). La partie puissance est confiée à 3 modules pololu A4988, le tout refroidit par un ventilateur de PC (on n’a pas mis de radiateur sur les pololu, et on va en avoir besoin).

La fraiseuse assemblée

Vue d'ensemble avec l'électronique

Vue d’ensemble avec l’électronique

Le fraisage à proprement parler sera confié à un moteur de mini-perceuse pour lequel je disposais des bons accouplements d’arbre, avec un mandrin de serrage. Malheureusement, il était assez ancien, et on sentait au fur et à mesure de nos tests que la fin approchais. Il a finalement finit par rendre l’âme, et nous avons du trouver une autre solution. Nous l’avons remplacé par un moteur du même type, un peu plus petit, malheureusement l’arbre n’était pas au même diamètre. Heureusement, Fabien a réussi à nous bricoler un couplage à partir du système Dremel.

Premier essai de fraisage

Premiers essais de fraisage

Malheureusement pour nous, tout n’est pas allé comme sur des roulettes. Premier problème rencontré, l’Arduino se plante en plein milieu d’usinage (cf la photo du dessus). Quelques recherches plus tard, on trouve la cause (et donc la solution), sur certain déplacements (les 3 axes en même temps), notre alim ne suit plus. On met une alim plus puissance, et ça roule :)
En revanche, un autre problème plus bloquant se profile : les vibrations. En effet, le moteur utilisé n’est pas vraiment prévu pour cet usage, et vibre énormément. Pas sur son support, mais l’axe à l’intérieur de sa cage. Résultat, les premiers traits se passent bien, mais le temps aidant, on se retrouve à usiner un trait de 3mm d’épaisseur avec une fraise de 0.1mm :(
En revanche la structure en bois nous a convaincu : elle est suffisamment rigide pour que l’usinage se passe bien, et en cas de fausse manip (plantage de fraise à cause d’un mauvais zéro par exemple), l’ensemble plie, mais ne casse pas !

Où en est-on aujourd’hui ?
Le problème des vibrations n’est malheureusement toujours pas résolu. On cherche une solution permettant de coupler un axe moteur qui soit fiable, peu coûteuse, et qui limite au maximum les vibrations. De la meme manière, on recherche un type de moteur (un spindle), dont la taille soit adapté à notre fraiseuse, et surtout à un prix raisonnable. On en a en effet trouvé, mais à 500€, ce qui correspond au prix de la fraiseuse complète. Si des fois vous avez des idées, vous êtes les bienvenus ! :)

Edit : toutes les photos et vidéos du projet sont disponible ici

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14 réponses to “DIY – Mini Fraiseuse de bureau pour PCB”

  1. Zariko Dit:

    C’est superbe !
    Tu peux nous ne dire plus sur ta découpeuse laser ? Qui t’a formé ? Quel modèle tu as ?
    Merci de partager tout ca avec nous !

  2. nerick Dit:

    Merci :)
    Pour la découpeuse laser, elle n’est (mal)heureusement pas chez moi. Il s’agit d’un modèle EPILOG Legend 36EXT, auquel j’ai accès via le fablab de grenoble
    Pour ce qui est d’apprendre, j’ai fait ça sur le tas, ce n’est pas très compliqué à utiliser, quelques explications (données par les gens du fablab) suffisent. Après, bah tu tombe sur des subtilités telles que les problématiques de type de bois, etc… Et là, c’est l’expérience qui joue.

  3. aurel Dit:

    certaines vieilles fraiseuses du collège fonctionne avec une dremel…
    as-tu fait un essai avec?
    Une dremel permet de limiter les efforts sur les axes x et y.
    bonne recherche et continue à te lever à 3 h pour pondre des projet pareil.

  4. nerick Dit:

    Ouais la dremel, c’est ce qu’on se garde en dernier recours, mais deux problèmes avec quand même : C’est gros, par rapport au reste du montage, et ça vibre quand même beaucoup (j’ai fait l’essai sur ma « grosse » fraiseuse, pour usiner du bois ou du plastique, pas de soucis, mais pour la précision nécessaire à un pcb, on est limite)

  5. CACO74 Dit:

    Bravo pour la realisation je suis en train de monter un modele identique, peut tu m en dire un peu plus sur le branchement des drivers sur l’arduino.

  6. nerick Dit:

    Salut,
    pour les drivers, rien de très compliqué : 2 fils vont vers l’arduino, un pour le sens (Haut dans un sens, bas dans l’autre), le second pour les pas (1 pulse = 1 pas). Donc, vers l’arduino, 2 fils par drivers, plus la partie alimentation logique (différente de l’alimentation de puissance).
    Attention, les pololu sont un peu chatouilleux, toujours avoir le moteur de connecté lors de la mise sous tension des modules, sous peine de cramage immédiat.

  7. CACO74 Dit:

    je suis egalement de Grenoble et je pense passé un de ces soirs au LOG pour apprecier les realisations.
    Je ne manque pas de te redemander des renseignements au fur et à mesure de l’avancement.

  8. nerick Dit:

    Pas de soucis, faut pas hésiter. En plus, si tu bosse aussi sur une fraiseuse, on peut sûrement s’entraider :)

  9. Olive Dit:

    Hello,

    Joli projet et belle réalisation.
    Je travaille moi aussi à un projet similaire, mais avec du PEHD comme matériau de construction.

    Je suis curieux de savoir où tu a trouvé les vis trapézoïdales et écrous ainsi que les moteurs nema 11 ?

    Bonne continuation !

  10. nerick Dit:

    Hello,
    les vis/écrous trapéz, je les ai prises chez un fournisseur local (Grenoble Transmission Mecanique). Ils n’étaient pas moins chers, loin de là, mais ils les avaient en stock, ça nous permettait d’avancer plus rapidement.
    Pour les néma 11, j’ai commandé chez paoparts, je ne sais pas s’il les a aux catalogue, mais tu peu lui demander par mail, il a quelques fois des « a coté ».

  11. Vessiel Dit:

    Je passais par hasard par ici.
    vraiment impressionnant. chapeau
    par contre pour ce qui est du moteur de la fraise, tu dis qu’un dremel est trop lourde, mais avez vous envisager d’utiliser un flexible de dremel pour que le poids du moteur ne soit pas sur le chariot, mais déporté, en quelque sorte?
    Des problème vendrais peut être de la longueur du flexible et dans le couple a fournir par les axe X et Y, mais dans l’idée, ça pourrais le faire non?

  12. nerick Dit:

    Merci :)
    En fait, plus que le poids, c’est surtout les vibrations qui posent problème (ainsi que l’encombrement). Et il y a de grandes chances que ce soit amplifié par le flexible.
    Mais tout espoir n’est pas perdu, suite à ce post, une personne m’a envoyé une solution qui me parait tout à fait jouable, notamment qui limite ces fameuses vibrations. Je suis en train de chercher les différentes pièces nécessaires :)

  13. Claudio Dit:

    Bonjour,

    D’abord je dois vous donner mes félicitations pour tout vos superbes travailles.

    J’ai une consultation:
    J’ai installe aussi un arduino avec GRBL.
    J’aimerais savoir comment vous utilises EMC avec GRBL.
    Toute information serai très bien venu.

    Merci et a bientôt.

    Claudio

  14. nerick Dit:

    Bonjour,
    malheureusement, je ne pourrais pas bien vous aider, je n’ai jamais utilisé GRBL. Je pense que le mieux serait de demander sur un forum Reprap, où vous trouverez sûrement plus d’utilisateurs…

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