In den letzten Jahren hat die Nachfrage nach digitaler Technik, schnellem Prototyping, Kleinserienproduktion und Do-it-yourself-Elektronik zu beachtlichen Innovationen bei Desktop-Fräsmaschinen für die Herstellung von PCBs geführt. Mit diesen Maschinen können Bastler, Forscher und Kleinproduzenten PCBs selbst entwerfen, weiterentwickeln und herstellen und so die Zeit vom Konzept bis zum funktionierenden Prototyp drastisch verkürzen. Die Geschwindigkeit bei der Herstellung von PCBs ist zwar der Hauptvorteil von Desktop-Fertigungsmaschinen, aber bei der Wahl einer solchen Maschine spielen auch viele andere Faktoren eine Rolle. Die Kosten sind ein wichtiger Treiber bei dieser Entscheidung, und die für die Desktop-Fertigung von PCBs verfügbaren Maschinen können von wenigen Tausend bis zu Zehntausenden von Dollar reichen. Dabei hängen die Kosten von den jeweiligen Leistungsmerkmalen und den zugrundeliegenden Technologien der verschiedenen Maschinenklassen ab. In diesem Beitrag beleuchten wir einige der Unterschiede zwischen der Desktop-Fertigung von PCBs und herkömmlichen Fertigungstechniken. Wir befassen uns außerdem mit den verschiedenen Maschinenkategorien und digitalen Tools, die auf dem Markt für die Desktop-Fertigung von PCBs erhältlich sind.

Desktop-Fertigung versus Fabrikfertigung

Die lokale Fertigung von PCBs mit Desktop-Maschinen bietet zahlreiche Vorteile. Aber natürlich gibt es auch Nachteile. Wenn Ihre PCB-Layouts ursprünglich für die herkömmliche Infrastruktur zur Herstellung von Leiterplatten erstellt wurden, müssen sie wahrscheinlich erheblich geändert werden. Betrachten wir zunächst einige der Vorteile der Verwendung von Desktop-Maschinen für die Fertigung von PCBs.

• Kosteneffektiv für Prototyping: Anstatt große Hersteller zu beauftragen, können Unternehmen und Einzelpersonen kleine Chargen von PCBs zu einem Bruchteil der Kosten herstellen.
• Schnelles Prototyping: Iterationszyklen werden deutlich kürzer. Entwürfe können intern getestet und geändert werden, ohne auf externe Hersteller warten zu müssen. Durch die kürzere Vorlaufzeit müssen Sie nicht auf den Versand warten oder sich mit möglichen Verzögerungen durch einen externen Hersteller auseinandersetzen.
• Bequemlichkeit: Mit einer Maschine vor Ort sind unmittelbare Anpassungen möglich, und die logistischen Herausforderungen der Kommunikation mit externen Herstellern werden reduziert.
• Lernmöglichkeit: Für Bildungseinrichtungen und Hobbyanwender bieten diese Maschinen praktische Erfahrungen mit der PCB-Fertigung und fördern ein tieferes Verständnis des Prozesses.
• Kontrolle über geistiges Eigentum: Wenn das Prototyping intern durchgeführt wird, können geistiges Eigentum und sensible Designs vor potenziellen Sicherheitslücken geschützt werden.
• Anpassungen: Die Produktion in kleinem Maßstab ermöglicht eine stärkere Anpassung an die Kundenwünsche, ohne dass die von größeren Herstellern auferlegten Beschränkungen beachtet werden müssen.

Natürlich hat jede technische Entscheidung sowohl positive als auch negative Folgen. Man sollte bei der Entscheidung für die Nutzung von Maschinen zur Desktop-Fertigung von PCBs zahlreiche Unterschiede und potenzielle Nachteile beachten. Dazu zählen unter anderem:

• Begrenzte Skalierbarkeit: Desktop-Maschinen sind nicht für die Produktion großer Mengen ausgelegt. Für die Massenproduktion sind nach wie vor größere Industriemaschinen oder Outsourcing erforderlich.
• Qualitätsabweichung: Die Qualität von PCBs, die auf Desktop-Maschinen hergestellt werden, entspricht nicht immer derjenigen, die auf spezialisierten, industriellen Geräten produziert wird.
• Materialbeschränkungen: Desktop-Maschinen haben möglicherweise Einschränkungen bei der Art der Materialien, die sie verarbeiten können, oder sie sind nicht für alle Arten von PCB-Materialien optimiert. Einseitig und doppelseitig kupferkaschierte Boards FR-1 und FR-4 sind die gängigsten Materialien für Einstiegsmaschinen.
• Wartung: Wie alle Maschinen müssen auch Desktop-Maschinen für die PCB-Fertigung regelmäßig gewartet werden. Das kann zeitaufwändig sein und spezielle Kenntnisse erfordern.
• Platzbedarf: Obwohl diese Geräte für den Desktop-Einsatz konzipiert sind, benötigen sie dennoch Platz und bestimmte Umgebungsbedingungen können erforderlich sein, damit sie optimal funktionieren.
• Anfangsinvestition: Die Anschaffung des Geräts ist zwar langfristig gesehen kosteneffizient, bringt aber erhebliche Investitionskosten mit sich.
• Erforderliche Fähigkeiten: Der ordnungsgemäße Betrieb, die Wartung und die Fehlersuche an der Maschine erfordern Ausbildung und Erfahrung.
• Eingeschränkte Features: Je nach Modell unterstützen einige Desktop-Maschinen möglicherweise keine modernen Funktionen wie die Herstellung von mehrlagigen PCBs, Fine-Pitch-Komponenten oder fortgeschrittene Oberflächenbehandlungen.

Digitale Engineering-Tools für die Desktop-Fertigung von PCBs verfügbar

Für die Desktop-Fertigung von PCBs eignen sich verschiedene Arten von Engineeringtools. Sie sollten deren Besonderheiten kennen, damit Sie eine Maschine auswählen können, die Ihren Anforderungen und Ihren finanziellen Möglichkeiten entspricht. Im Folgenden stellen wir einige der gebräuchlichsten digitalen Engineeringtools für die Desktop-Fertigung von PCBs vor.

Fräsmaschinen

Fräsmaschinen verwenden rotierende Schneidwerkzeuge, um Material von einem PCB-Rohling abzutragen und Leiterbahnen herzustellen. Zu den beliebtesten PCB-Fräsmaschinen für den Desktop-Einsatz gehören die Desktop-CNC-Fräsmaschine von Bantam Tools (früher OtherMill) und die Makera Carvera. Diese schnellen und zuverlässigen Maschinen eignen ideal für die Herstellung von PCBs. Hinzu kommt, dass diese beiden Hersteller benutzerfreundliche Maschinen anbieten, die PCBs bis hin zu sehr feinen Leiterbahnen fräsen können, so dass sie für SMD-Bauteile geeignet sind. In der Regel werden kupferkaschierte FR-1- und FR-4-Platten für Fräsarbeiten verwendet. Der Nachteil ist, dass beim Fräsen mehr Material verbraucht wird, da der Prozess subtraktiv ist. Das Fräsen kann auch laut sein und Abfälle erzeugen.

PCB-Drucker

Im Gegensatz zur subtraktiven Arbeitsweise von Fräsmaschinen verwenden PCB-Drucker einen additiven Ansatz, bei dem leitfähige Tinte auf ein Substrat aufgebracht wird, um Schaltungen zu erzeugen. Zu den beliebtesten Maschinen auf dem Markt zählt die Voltera V-One, die nicht nur PCBs druckt, sondern auch Lötpaste und Reflow-Bauteile auftragen kann. Das macht sie zu einer umfassenden Desktop-Produktionslösung für PCBs. Der BotFactory Squink ist ein weiterer innovativer PCB-Drucker, der nicht nur Schaltungen drucken, sondern auch Bauteile platzieren und die Tinte aushärten kann, so dass eine komplette PCB-Fertigung auf dem Desktop möglich ist. Der Hauptvorteil von PCB-Druckern besteht darin, dass sie relativ sauber arbeiten und während der Produktion nur sehr wenige Rückstände anfallen. Die hier genannten Maschinen bieten weitere Eigenschaften, die sie fast zu Komplettlösungen für die Herstellung von PCBs in kleinen Stückzahlen machen. Einer der Nachteile von PCB-Druckern ist die Tatsache, dass die leitfähigen Tinten möglicherweise nicht so robust sind wie herkömmliches, geätztes Kupfer. Außerdem können Leiterbahnen und Pads aufgrund der Auflösung des Druckkopfs auf größere Größen beschränkt sein, was dazu führen kann, dass sich Drucker nicht für Bauteile mit sehr kleinem Abstand eignen.

Laserätzer und -Schneider

Eine weitere Klasse von CNC-Maschinen sind Laserätzer und -schneider. Laserschneider sind zwar nicht speziell für die Herstellung von PCBs konzipiert, können aber entweder zum Wegätzen von unerwünschtem Kupfer von PCBs oder zum Schneiden des PCB-Materials selbst verwendet werden. Durch die jüngsten Fortschritte in der Lasertechnologie können die Kosten gesenkt werden, und in Verbindung mit ihrer hohen Präzision gewinnen Laser in der PCB-Fertigung immer mehr an Bedeutung. Laserschneider kommen immer häufiger in der Fertigung zum Einsatz und können sehr feine Details erzeugen, was bei der PCB-Fertigung ideal ist. Unternehmen wie LPKF Laser & Electronics und Glowforge bieten eine Reihe von laserbasierten Maschinen für das PCB-Prototyping an, die sich für verschiedene Applikationen eignen, von einfachen PCBs bis zu HF-Schaltungen. Der Hauptvorteil der Lasertechnologie liegt in der hohen Präzision und den sauberen Kanten. Dadurch lassen sich Bauelemente und Leiterbahnen in sehr feinen Rastermaßen herstellen. Außerdem eignen sich Laser sowohl für Ätz- als auch für Schneidarbeiten. Neben den positiven Aspekten des Laserschneidens gibt es jedoch auch offensichtliche Sicherheitsaspekte, die bei der Verwendung eines Lasers zu beachten sind. Es werden HEPA-Filter benötigt, um die Dämpfe aus dem Schneidbereich schnell und sicher abzusaugen. Laserschneider sind anfällig für den beim Ätzprozess entstehenden Rauch, der sich negativ auf die Qualität auswirken kann. Außerdem können Laserschneider, insbesondere solche mit hoher Leistung, im Vergleich zu anderen Technologien teurer sein.

Komplette Desktop-Systeme für die PCB-Fertigung

Die eigentliche Herstellung von PCBs ist nur ein Teil des Prozesses. Damit ein funktionierendes System entsteht, müssen elektronische Bauelemente auf der PCB platziert werden, so dass eine PCBA (Assembled Printed Circuit Board, bestückte Leiterplatte) entsteht. Neben der Hardware für die PCB-Fertigung sind Reflow-Öfen und Bestückungsautomaten zusätzliche Ausrüstungen, die auf dem Weg von der PCB zur PCBA benötigt werden. Einige Unternehmen, wie z. B. Neoden, bieten Maschinen mit einer Komplettlösung für die Herstellung von PCBAs an, die mehrere Stufen des Produktionsprozesses integrieren. Neoden bietet eine Produktfamilie von Desktop-Produkten für die professionelle PCBA-Fertigung in kleinen Stückzahlen an. Die Lötpasten-Schablonenmaschine Neoden FP2636 bieten einen zuverlässigen und wiederholbaren Mechanismus zum Auftragen von Lot auf PCBs. Der Neoden YY1 ist eine Desktop-Pick-and-Place-Maschine für den Transport von Bauteilen von der Rolle auf die PCB. Zudem steht die Desktop-SMT-Reflow-Ofen-Lötmaschine Neoden IN6 zum Reflow-Löten zur Verfügung. In Kombination eignen sich diese Maschinen ideal für Anwender, die über die reine Herstellung von PCBs hinausgehen und in die komplette PCB-Bestückung einsteigen möchten. Bei diesen Maschinen handelt es sich zwar um Komplettlösungen, die den Fertigungsprozess verschlanken, aber sie sind für professionelle und seriöse Hersteller durchaus erschwinglich, da sie nur wenige tausend Euro kosten. Sie sprengen jedoch die Definition der Desktop-Fertigung, da sie in der Regel einen größeren Footprint benötigen, sowohl physisch als auch elektrisch.

Fazit

Der Aufstieg der Desktop-Maschinen für die PCB-Fertigung hat den Zugang zur PCB-Prototyping und -Fertigung demokratisiert. Je nach den spezifischen Anforderungen, sei es Präzision, Geschwindigkeit, Vielseitigkeit oder die Art der Produktion (subtraktiv oder additiv), gibt es mit großer Wahrscheinlichkeit eine Maschine, die genau diesen Anforderungen entspricht. Im Zuge des technologischen Fortschritts sind weitere Verbesserungen in Bezug auf Geschwindigkeit, Erschwinglichkeit und Fähigkeiten zu erwarten, so dass die Inhouse-Produktion von PCB für alle möglich bleibt.