Cómo fabricar una PCB usando impresión 3D y cinta de cobre


Si alguna vez has querido fabricar tus propias placas de circuito impreso sin lidiar con productos químicos o procesos complejos, el método que te voy a contar puede interesarte. Se trata de combinar una impresora 3D con cinta de cobre conductora para obtener PCBs funcionales, con formas personalizadas y sin necesidad de taladrar después. A continuación te explico todo el proceso paso a paso, desde el diseño electrónico hasta el montaje final.

El método en resumen

La idea es sencilla: en lugar de grabar cobre sobre una baquelita, imprimimos en 3D una estructura plástica que hace de sustrato. Sobre ella, aplicamos el cobre autoadhesivo (comercialmente se vende en forma de cinta o en planchas de cobre) siguiendo los recorridos de las pistas. Los taladros para los componentes se diseñan directamente en el modelo 3D, y los cruces de pistas se resuelven con pequeños puentes de cable. El resultado es una placa de una sola cara, con buena conductividad y sin necesidad de vías.

Diseño electrónico en EasyEDA

El punto de partida es el diseño del circuito en EasyEDA. Aquí hay que tener en cuenta que trabajaremos con una sola capa, por lo que conviene configurar las reglas de diseño con unos valores específicos. Para el ancho de pista usaremos 2,5 mm como valor preferido, con un mínimo de 2 mm. El espaciado entre pistas debe ser de al menos 1,5 mm para evitar cortos accidentales. Las vías se deshabilitan por completo, tanto en diámetro como en taladro, ya que no las vamos a usar.

Es importante rutear manualmente, forzando todo en la capa inferior (BottomLayer). Si hay cruces inevitables, podemos utilizar resistencias de 0 o pequeños jumpers que luego implementaremos físicamente con cable. Al finalizar, exportamos la capa de cobre como imagen o archivo DXF a escala 1:1, y también generamos la lista de taladros para tener las posiciones exactas.

En resumen esta es la configuración de reglas de diseño para EasyEda:

ParámetroValorMotivo
Track Width2.5 mm (preferido) / 2.0 mm (mínimo)Ancho suficiente para cinta de cobre
Clearance1.5 mmSeparación entre pistas para evitar cortos
Via Diameter0 mm (o el mínimo admitido)No se usan vías (se reemplazan por puentes)
Via Drill Diameter0 mm ( o el mínimo admitido)No se usan vías
Routing LayersSolo BottomLayerDiseño de una sola cara
Permitir víasNOForzar diseño sin vías

Nota : ciertamente EasyEDA por defecto no permite una sola capa de PCB, pero siempre intentara el autoroute minimizar el numero de capas por lo que si es posible usara una sola capa. además por supuesto también podemos probar a hacer el ruteo manual. Por otro lado , también seria factible mediante este método fabricar PCB de doble cara siempre que el lado de los componentes se puedan disponer estos

Diseño del modelo 3D

Con la referencia del layout pasamos al modelado 3D, por ejemplo en Fusion 360 o SolidWorks. Creamos una base de 2 mm de espesor que será el cuerpo de la placa. Sobre ella, dibujamos los canales que seguirán las pistas, con una profundidad de 0,5 mm. El ancho de estos canales debe ser ligeramente mayor que el de la cinta, así que si usamos cinta de 2,5 mm, haremos canales de 2,7 mm.

Los taladros para los componentes se modelan directamente como cilindros que atraviesan toda la base. Los diámetros dependen del componente: para resistencias y diodos usaremos 0,9-1,0 mm; para condensadores electrolíticos y pines de cabecera, entre 1,0 y 1,2 mm; y para terminales de tornillo o conectores grandes, hasta 2,0 mm.

En cada taladro también diseñamos un área hundida que actuará como pad. Se trata de un círculo de 3 mm de diámetro con una profundidad de 0,5 mm, concéntrico con el taladro. El canal de la pista debe conectar con el borde de este pad para que la cinta llegue hasta allí sin escalones.

Para los cruces de pistas que no se pudieron resolver en el diseño, modelamos puentes integrados. La opción más práctica es crear dos taladros pequeños de 0,8 mm separados entre 5 y 10 mm, unidos por un canal superficial de 0,5 mm de profundidad. Por ahí pasaremos un cable de cobre estañado que soldaremos en ambos extremos.

Resumen estructura de la placa (parámetros en CAD)

ElementoDimensiónFunción
Base estructural2.0 mm de espesorRigidez y soporte
Canales para pistas0.5 mm profundidadGuiar y alojar la cinta de cobre
Ancho de canalTrack Width + 0.2 mmHolgura para la cinta
Pared entre canales1.5 mm (Clearance)Aislamiento entre pistas

Resumen taladros para componentes (THT)

ComponenteDiámetro de taladro
Resistencias, diodos0.9 – 1.0 mm
Condensadores electrolíticos0.8 – 1.2 mm
ICs DIP, header pins1.0 – 1.2 mm
Terminales de tornillo1.5 – 2.0 mm

Todos los taladros deben atravesar completamente la base (2.0 mm)

Resumen pads para soldadura

  • Área hundida: 3.0 mm de diámetro, 0.5 mm de profundidad
  • Taladro central: según componente
  • Conexión: El canal de pista debe conectar con el borde del pad

Impresión 3D de la placa

A la hora de imprimir, elegimos un filamento aislante como PLA, PETG o ABS. Es recomendable usar una altura de capa de 0,12 a 0,16 mm para que los taladros y canales queden bien definidos. La orientación debe ser con los canales hacia arriba, y no serán necesarios soportes si los taladros son verticales. Tras la impresión, verificamos que todos los taladros estén abiertos y limpiamos los canales de posibles rebabas con una lija fina o un cúter.

Parámetros de impresión

ParámetroValor
FilamentoPLA, PETG o ABS (aislante)
Altura de capa0.12 – 0.16 mm (para precisión en taladros)
Boquilla0.4 mm
Relleno20-40% (100% en zonas de pads opcional)
OrientaciónCanales y pads hacia arriba
SoportesNo necesarios para taladros verticales

Aplicación de la cinta de cobre

La cinta de cobre debe tener adhesivo conductor para garantizar la continuidad eléctrica. Los anchos más prácticos son 3 mm o 5 mm, aunque podemos cortar tiras más estrechas si es necesario. Colocamos cada tramo de cinta dentro de su canal correspondiente, presionando bien con una espátula o un palillo de bambú para que se adhiera en curvas y esquinas. En los pads, dejamos que la cinta cubra toda el área hundida. Si dos tramos de cinta deben unirse, soldamos la superposición para asegurar la continuidad.

Instalación de puentes y componentes

Los puentes de cable se montan primero. Insertamos un cable de cobre estañado de 0,5 a 0,8 mm en los dos taladros diseñados para ello, y soldamos ambos extremos sobre la cinta de cobre. El cable debe quedar alojado en el canal superficial para que no sobresalga.

A continuación colocamos los componentes. Si son THT (de agujero pasante), insertamos los pines en sus taladros y soldamos cada uno al pad de cinta. Para componentes SMD, los situamos sobre los pads y soldamos directamente con estaño. Es conveniente usar fundente para facilitar la soldadura, especialmente porque la cinta de cobre disipa calor rápidamente y requiere algo más de tiempo con el soldador.

Pruebas y acabado final

Antes de dar por terminada la placa, hacemos una comprobación con el multímetro: verificamos la continuidad de cada pista y nos aseguramos de que no haya cortos entre pistas adyacentes. Si todo está correcto, podemos aplicar una capa de barniz aislante para proteger las pistas de la humedad o de posibles contactos accidentales. También podemos diseñar e imprimir una tapa que encaje sobre la placa si el proyecto lo requiere.

Ventajas y limitaciones del método

Este sistema tiene varias ventajas interesantes. La conductividad es excelente por ser cinta de cobre, no se utilizan productos químicos ni procesos de grabado, y los taladros ya vienen integrados en la impresión, ahorrando trabajo de mecanizado. Además, podemos dar formas complejas a la placa e incluso integrar soportes o carcasas en un mismo conjunto impreso.

Como limitaciones, el ancho mínimo de pista es de unos 2 mm, lo que impide trazos muy finos. No es adecuado para circuitos de alta frecuencia, y la corriente máxima que puede manejar una pista de 3 mm de ancho ronda los 2-3 amperios. Por último, el proceso requiere paciencia en el montaje manual, aunque el resultado es muy gratificante.

Con este método puedes obtener PCBs completamente funcionales en tu propio taller, combinando la precisión de la impresión 3D con la fiabilidad del cobre. Si te animas a probarlo, verás que es una alternativa muy práctica para prototipos o para proyectos que requieren formas personalizadas.

Fabricación casera de placas mediante láser


Hay muchas, muchas maneras de hacer una placa de circuito impreso o  en ingles «PCB»(printed circuit board)  . Sin embargo, incluso con la práctica, la calidad del resultado varía mucho con el proceso y el equipo utilizado.

Antiguamente  el diseño se calcaba en un papel de acetato y se usaba placas fotosensibles exponiéndolas a una luz intensa,  pero modernamente se  imprime el diseño con una impresora láser  con tóner negro, o bien se fotocopia el mismo en un papel grueso.

Una vez tenemos la plantilla recortaremos la fotocopia como se indica en la imagen,de esta forma, podremos pegar los bordes a la placa.

recortes.png

Antes de transferir el diseño se recomienda proceder al limpiado de la placa por ejemplo usando lana de acero y acetona (este proceso debe ser llevado lo mejor posible, ya que si la placa no queda bien limpia nunca fijara el tóner el la misma). Al terminar de limpiar secaremos la placa con un paño limpio y volveremos a limpiarla sin poner mas los dedos sobre el cobre, ya que estos dejan grasa:la limpieza de la placa solo será efectiva cuando esta quede brillante y con rayones en circulo para que agarre mejor el tóner.

En el instante que se retira la plancha de la placa, después de 1 o 2 minutos de calor intenso, a veces mas, se coloca la placa en un recipiente con agua para que el papel no tire (suelte) el tóner hacia arriba al enfriarse y se fije a la placa, esta debe mantenerse en el agua durante unos 5 minutos.

Una vez limpia la placa colocaremos la plantilla con el lado de la tinta hacia el cobre y con la plancha a tope de calor, se le aplica a la placa  Es importante insistir con el calor por toda la placa y con vapor humedeciendo el papel para que no se queme pero sin empaparlo. Si se llegase a empapar, cortar la llave de vapor y dar calor seco unos instantes.

Después de haber esperado 5 o 10 minutos en el agua, sacamos la placa y vamos frotando con los dedos para quitarle el papel que no nos sirve, intentando quitarlo todo, hasta que quede una capa muy fina de papel que se retira con un cepillo de dientes que ya no tengan en uso, con cuidado de no partir el tóner que define las pistas.

placa

Una vez repasadas todas las pistas de la placa con un marcador permanente (tipo edding 3000 o superior), se espera un par de minutos para que este fije y seque. Mientras tanto, podemos ir preparando el ácido para atacar la placa consistente en una   mezcla de  2 partes de agua fuerte con 4 de agua oxigenada 110 vol. y 1 de agua ( Atención : sobra decir que se debe tener un cuidado extremo usando guantes y gafas de protección  para  evitar contactos accidentales  en la piel  o en los ojos) .

Una vez tengamos la disolución do meteremos la placa en este . Ahora debemos estar mas atentos, pues si el ácido resultara fuerte podría diluir el tóner. Lo ideal es que cuando coloque la placa en disolución, el cobre coja un color rojizo y empiece a burbujear..

placa2

 

Una vez se saque la placa del ácido hay que enjuagarla con abundante agua para que el acido no  siga atacando el cobre  por lo que conviene secarla con un trapo limpio. Una vez seca, se empapara el toner con acetona y se rascara con un cepillo de dientes o con la lana de acero, eliminando así todo el tóner de la placa y ya solo quedaría hacer los taladros para los componentes con una broca de 1mm.

 

¿Le parece  interesante el proceso de fabricación casera de PCB’s anterior? Pues afortunadamente, los nuevos y mejorados métodos de transferencia de Gerber se han ideado en los últimos años gracias a los hackers en todo el mundo.

Uno de esos hackers, [Henner] está trabajando en un proyecto llamado LDGraphy en un intento de traer el grabado de alta resolución a las masas.

LDGraphy es un dispositivo de láser de litografía que hace uso de un láser y un Beaglebone verde para grabar el diseño en el tablero. La mejor parte es que toda la lista de materiales se dice que cuesta menos de $ 100,o  que hace que sea asequible para las personas con un presupuesto ajustado.

El sistema está diseñado alrededor de un láser de 500 mW y un escáner de espejo de polígono destinado a una impresora láser. La placa con fotorresistencia se acciona linealmente en el eje X utilizando un motor paso a paso y el rayo láser que es rebotado del espejo hexagonal giratorio es responsable del eje Y.

El código de tiempo crítico para la Unidad Programable en Tiempo Real (PRU) del procesador AM335X está escrito en  ensamblador  para la conmutación rápida del láser. El recinto es, naturalmente, un caso de acrílico de corte por láser y está hecho en el espacio de hackers local de [Henner].

[Henner] ha estado trabajando duro calibrando su diseño y compensando las inexactitudes de los componentes utilizados. En el vídeo de demostración a continuación presenta una versión de trabajo con una resolución de 6 mils que es maravilloso teniendo en cuenta el costo de la máquina.

 

Este  proyecto es totalmente Open Source, toda la documentación y código fuente están disponibles en GitHub con un coste total de apenas 100 dólares utilizando mucho material recuperado

 

Esta no es la primera vez que hemos visto un DIY láser PCB exposer, por supuesto, pero es uno de los mejores documentados.