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Platinen-Plotter


Durch die Auflösung eines Testlabors konnte ich vor einigen Jahren einen HP7475a-Stiftplotter mit IEEE488-Schnittstelle abstauben. Für den Schrottcontainer war der wirklich zu schade, aber bei mir stand er eigentlich auch nur herum. Eine IEEE488-Interfacekarte (auch GPIB oder HP-IB genannt) hatte ich nämlich nicht. Und einen echten Einsatzzweck für einen Stiftplotter muss man schon gründlich suchen, wenn man doch besser grafikfähige Farb- und S/W-Laserdrucker zu stehen hat...

Aber beim Löten einer Platine keimte die Idee, mit dem Plotter und ätzfester Tinte Platinenlayouts direkt auf die blanke Kupferbeschichtung zu zeichnen und die Platine anschließend zu ätzen. Wenn Lochraster arg zu grob war, ging das manuell mit dem Edding-Stift ja schließlich auch - vor diversen Jahren war die Edding-Malerei schließlich das Standardverfahren für die Herstellung von Hobby-Platinen!

Die gute Nachricht zuerst: Es funktioniert! Es geht ohne nennenswerten Hardwareaufwand auch mit IEEE488-Plottern, es geht auch mit SMD (SOIC, 1206, SOT-23 u. dgl.) und es geht auch doppelseitig. Aber natürlich wird auch dieses Verfahren - ebenso wie alle anderen - mit steigender Komplexität des Layouts in zunehmendem Maße fummelig. Wer gleich zum maximal erzielbaren Ergebnis springen möchte, der findet dieses unten auf der Seite unter maximal erreichbar.

Um die Frage gleich zu beantworten, warum ich nicht das etablierte fotochemische Verfahren mit vorbeschichteten fotoempfindlichen Platinen verwende - nun, das mache ich ja auch, wenn's sein muss. Bei engen Layouts oder vielen SMD-Bauteilen führt daran kaum ein Weg vorbei. Aber wenn man nur selten mal eine Platine braucht, darf man sich fotobeschichtete Platinen nicht auf Vorrat legen, weil der Fotolack altert. Und dann stimmt die mit einer neuen Platine gemachte Belichtungsreihe nicht mehr und der erste Belichtungsversuch wird ein Fehlschlag - also, das ist alles beherrschbar, aber ich find's lästig.

Und die Tonertransfermethode mittels Laserdrucker und Bügeleisen ist gerade bei kleinen Platinen auch lästig, beim Festhalten riskiert man verbrannte Finger, ohne Festhalten verrutscht und verschmiert das Layout sehr leicht und der eine Laminator, den ich an Stelle des Bügeleisens probiert habe, wurde nicht heiß genug.

Aber zurück zum Plotter. Es gab vier Probleme zu lösen: Wie steuert man das Ding über IEEE488 überhaupt an, welche Farbe ist geeignet, welche Stifte tragen diese Farbe anständig auf und wie spannt man die Platine ein?

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IEEE488 (HP-IB, GPIB)


Nach Herumfragen im Bekanntenkreis und Suche auf elektronischen Auktionsplattformen hatte ich eine Schnittstellenkarte ergattert:




Wie man unschwer erkennen kann, ist das eine Karte für den alten AT- (ISA-) Bus. PCI-Karten gibt's auch, sogar neue, aber exotische Hardware ist wegen der kleinen Stückzahlen teuer und kostet auch gebraucht noch mehr, als ich für solche Experimente mit ungewissem Ausgang ausgeben wollte. Aber ein altes Mainboard mit ISA-Bus und einem Pentium III hatte ich noch, und unter Windows 98SE ließ sich die Karte auch problemlos installieren. Nur - einen einfach ansprechbaren virtuellen oder umgelenkten LPT- oder COM-Port für den Plotter hatte ich trotzdem nicht im System und war daher nicht wesentlich weiter...

Nach Recherche im Internet braucht's dafür eine Software-Schnittstelle (VISA) von National Instruments. Gesucht, gefunden, installiert und - immer noch kein erkennbarer Port. Aber irgendwo war ein Testprogramm dabei, geht's damit? Im Prinzip schon, ich konnte den Plotter mit manuell eingetippten Einzel-Befehlen auch manuell steuern. Immerhin. Aber eigentlich wollte ich den ja über ein kleines Programm mit fertigen Plotdateien füttern?!

Das geht auch. Mit dem Terminalprogramm WXTerminal von iftools.com kann man Dateien über RS232 oder auch über IEEE488 senden. Das erste Problem wäre gelöst, prima.

Bei der Recherche zu Stiften und Tinten bin ich dann auf diesen alten Diskussionsthread www.mikrocontroller.net/topic/1597 gestoßen. Da wird u.a. das kleine Konsolenprogramm plot488.exe angesprochen (© 2003, Christian Saller), was über ein einfach herzustellendes Interface-Kabel Plotdateien an IEEE488-Plotter über die parallele LPT-Schnittstelle senden kann. Das nutze ich jetzt auf einem etwas neueren Rechner unter Windows XP, funktioniert prima unter allen 32-Bit-Versionen. Für 64bit-Systeme ist die verwendete DLL für die Ansteuerung des Parallelports leider nicht geeignet. Als "echten" Parallelport-Plotter über die Windows-Druckerschnittstelle kann man den Plotter aber auch mit diesem Interface-Kabel nicht ansprechen! Das ginge mit dem Paket plot488plus, wo Christian Saller mit dem Tool redmon eine Umlenkung der Druckausgabe realisiert. Das habe ich aber nicht getestet, das direkte Senden der durch die Platinenlayout-Software generierten HPGL-Plotdatei reicht ja auch aus.

Die Dateien sind beim Programm-Autor unter http://chrbest.home.t-link.de/ zu erhalten, für rein private Anwender stelle ich sie auch hier zur Verfügung: plot488.zip und plot488plus.zip

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Tinte


In diesem o.a. Diskussionsthread gab's auch diverse Hinweise zu geeigneten und ungeeigneten Tinten. Meine Referenz war der normale, schwarze Edding, aber angeblich sollte eine Staedler-Tinte besser sein. Nun, mein Ätzversuch hat das nicht bestätigt:




Die Lumocolor-Farbe wird nach einigen Minuten im Ätzbad durchlässig und es wird deutlich zu viel Kupfer weggeätzt. Also bleibt's bei Edding. Aber in welchem Stift?

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Stifte


Wenn man live gesehen hat, wie die Plottermechanik den Stift auf das Papier klopft, nimmt man schnell Abstand von der Idee, einfach einen feinen Permanent-Marker irgendwie einzupassen - die Spitze überlebt das Gehämmer nicht lange. Ich hatte einige Original-Plotterstifte mit fester Kunststoff-Spitze, da waren auch ein paar eingetrocknete dabei. Die lassen sich aufsägen, mit Methanol von der alten Farbe befreien und mit Edding-Tinte nachfüllen. Das bringt leider nichts, weil die Tinte wirklich in Rekordzeit eintrocknet und die Spitze verklebt. Sie basiert zwar nicht auf Aceton, wie im mikrocontroller.net-Thread steht, sondern auf Propanol als Lösemittel, aber das schnelle Eintrocknen stimmt leider.

Nächster Versuch: Ein Kapillar-Zeichenkegel (Isograph) mit Edding-Tinte. Das funktioniert überraschenderweise. Da im Thread geschrieben wurde, dass das feine Regulier-Drähtchen sich auf der Kupferoberfläche abschleifen würde, habe ich diese Ventil-Mechanik komplett ausgebaut - und es funktioniert immer noch! Jedenfalls solange man keine minutenlangen Pausen bei gefülltem Stift entstehen lässt.

Also wird der eingetrocknete Plotterstift weiter zurechtgesägt, der Isograph auf 10mm Außendurchmesser abgedreht und in die Hülse des Original-Stifts eingepresst:




Wer keinen Zugriff auf eine Drehmaschine hat, kann den Isograph auch abfeilen und mit Epoxy-Kleber in die Stifthülse einkleben. Da der Tintentank deutlich höher herausragt als beim Original-Stift, muss das Plottergehäuse zwischen Zeichenbereich und Stiftkarussell ausgeschnitten werden, damit ein versehentlich in der Plotdatei verbliebener Stiftwechsel-Befehl keine Tintensauerei hervorruft.

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Aufspannung


Da der Plotter beim Beginn des Plottens das Blatt einmal komplett hin- und herfährt und auf beiden Seiten mit Rollen antreibt, verbietet sich das direkte Einspannen der Platine von selbst - DIN A4-Platinen sind selten...

Feste Pappe mit aufgeklebter Platine wird auch nicht transportiert, weil unter der Stiftführung in X-Richtung zu wenig Platz für Pappe plus Platine ist - aber mit Zeichenkarton (240g/m²) funktioniert's noch. Ein Anschlagwinkel mit doppelseitigem Montageklebeband aufgeklebt, die Platine auf den Gegenseiten mit Isolierband fixiert (Coroplast, das ist gut wieder ablösbar) und damit kann der erste Plotversuch starten:




Die Rückseite des Zeichenkartons habe ich mit einem Verschleißschutz aus robustem Abdeck-Klebeband versehen. Auf dem Foto kann man das nicht sehen, aber das Band ist strukturiert, das ist wichtig für die Transportrollen.




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Erste Ergebnisse


So, der Plotvorgang näher betrachtet:




Der erste Versuch war eine Katastrophe - die breiten Leiterbahnen waren eine fürchterliche Tintenschmiererei. Sie waren im Layoutprogramm auf 1mm Breite gesetzt, der Stift hat 0,35mm und beim HPGL-Export kam dann ein sechsmaliges (!!) Überfahren heraus. Dann lagen die Bauteile nicht auf dem Raster und die Leiterbahnen bestanden daher in der Nähe der Lötaugen aus vielen Einzelsegmenten. An den Überlappungen ging der Stift somit zwölfmal darüber!

Aber bereits der zweite Versuch war einigermaßen brauchbar:




Oben rechts sieht man noch das Zulaufen bei segmentierten breiten Leiterbahnen. Die sind jetzt auf 0,7mm eingestellt und werden noch viermal überfahren. Da ist aber immer noch Verbesserungspotenzial drin, die Lötaugen sind auch noch zu groß. Die Zeichenpfade in CorelDraw importiert zeigen den Grund:




Auch die Lötaugen werden zu oft gezeichnet. Da gibt's einen ausgefüllten Innenkreis und einen oder mehrere Vergrößerungskreise. Das muss ich demnächst noch optimieren. Die Innenkreise müssen weg und für die breiten Leiterbahnen gibt's auch bessere Lösungen. Beim HPGL-Export kann man mit der gesetzten Stiftbreite die Anzahl der Überzeichnungen manipulieren. Die Ergebnisse sind weiter unten zu sehen.

Die Lötaugen sind auch nicht ganz rund, der Stift scheint in X-Richtung nicht ganz fest zu sitzen. Vielleicht kann ich die Federkraft des Haltebügels etwas erhöhen - notfalls mit Gummiband. Mal sehen.

Diese Platine wollte ich aber fertig haben und habe sie in meinem High-Tech-Labor ;-) geätzt:




So sah sie fertig aus:




Die dünnen Leiterbahnen wurden mit dem 0,35mm-Stift in einem Durchgang gezeichnet und haben nach dem Ätzen etwa 0,4mm. Nicht schlecht.

Dann kam noch die High-Tech-Verzinnungsstraße zum Einsatz. Es geht wirklich auch mit einfachen Mitteln:




Fertig gelötet:




Und der Vollständigkeit halber hier die Bauteilseite mit dem einfachen Bestückungsaufdruck - ausgedruckt und aufgeklebt.




Bei der nächsten Platine probiere ich auch Leiterbahnen zwischen den Lötaugen hindurch und ein paar Verbesserungen aus - aber grundsätzlich funktioniert die Sache schon mal!

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Bessere Ergebnisse


Nachdem die Mechanik nun soweit funktionierte, habe ich das Optimieren der Plotdateien für eine einfache Übung gehalten. Das gestaltetete sich aber deutlich zäher als gedacht! Da die HPGL-Export-Funktionen aller Layout-Programme sicherlich ihre eigenen Besonderheiten haben, sind die Ergebnisse auch nicht direkt auf andere Layouter übertragbar...

Bei meinem Plotter muss man Rundungen vermeiden, weil diese sehr langsam und daher mit viel Tinte gezeichnet werden. Bei den breiten Leiterbahnen muss man oft genug überzeichnen, damit keine Lücken entstehen - aber nicht so oft, dass die Leiterbahn in Tinte ertrinkt.

Die besten Ergebnisse habe ich mit achteckigen Pads mit verkürzten Abschrägungen; die bei dieser Platine wegen erhöhten Strombedarfs 1,5mm breiten Power-Leiterbahnen werden fünfmal überzeichnet:




Die Leiterbahnen lasse ich noch vom Optimierungstool HPGLOpti aus dem alten PC-NC für DOS (Burkhard Lewetz) optimieren, dadurch wird der Stift ruhiger geführt.

Und so passt auch eine Leiterbahn zwischen zwei Bauteilbeinchen hindurch!

Damit ist das Verfahren für Hobbyplatinen praxistauglich. Die meisten meiner Basteleien werden auf Platinen dieser Fertigungsqualität realisierbar sein - und wenn's doch mal komplizierter wird, dann kann ich ja immer noch belichten...




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Noch besser...


Na, etwas besser geht's doch noch...

Der Stift gleitet nicht so leicht über die Platinenoberfläche wie ein normaler Plotterstift über das Papier. Da er ein wenig beweglich in der Stifthalterung sitzt, eiert er durch die Reibung auf der Platinenoberfäche minimal um die Mittelachse. Dagegen hilft ein speziell entwickeltes High-Tech-Elastomer-Befestigungselement:




Mit Unterstützung durch einen einfachen Gummiring hält die Stifthalterung den Zeichenstift bombenfest, da eiert nichts mehr.

Die Geschwindigkeit, mit der der Stift über die Platine gezogen wird, beeinflusst auch die Strichstärke und die Dicke der Tintenschicht. Mit 1-3 cm/s gibt's satte Leiterbahnen, die mehrfach übermalten, breiten Power-Leiterbahnen werden aber etwas zu satt. Bei gemischten Platinen mit schmalen und breiten Leiterbahnen sind 4-5 cm/s bei mir optimal. Eine Netzteilplatine mit ausschließlich breiten Leiterbahnen verträgt auch höhere Stiftgeschwindigkeiten.

Diese Stiftgeschwindigkeit kann man in der HPGL-Datei mit dem VS-Befehl bequem einstellen. Ärgerlich ist dabei nur, dass diese Einstellung nur bei aufgesetztem Stift Wirkung zeigt. Wenn der Stift abgehoben ist, wird mit maximaler Geschwindigkeit die nächste Position angefahren. Die Bewegung des Stifts ist dabei unproblematisch, der wiegt ja fast nichts. Aber die Platine ist deutlich schwerer als ein Blatt Papier, und wenn diese ruckartig große Bewegungen absolvieren soll, dann wird die Traktion zwischen Transportröllchen und dem Zeichenkarton als Platinenträger knapp und es kommt zu einem Versatz in Y-Richtung.

Der Plotter hat leider kein Poti oder dergleichen, was die Leerlaufgeschwindigkeit einstellt. Man kann aber in der Plotdatei eine große Distanz in viele kurze Stückchen aufteilen, dadurch wird die Bewegung gebremst. Ein Software-Tool dafür habe ich aber nirgends gefunden, also musste ich nach längerer Abstinenz mal wieder selbst programmieren:




Mit einer Schrittweite von 5 Plottereinheiten ist die Plotgeschwindigkeit noch akzeptabel, aber ein Versatz in Y-Richtung durch große Bewegungen ist bei mir nicht mehr aufgetreten. Falls jemand Interesse am Programm hat: Plotterbremse.exe. Und hier der Quelltext für eigene Anpassungen: Plotterbremse.prf. Das ist eine einfache Textdatei, geschrieben für XProfan 8. Diese Sprache hat für Gelegenheits-Programmierer den Vorteil, dass sie frei verfügbar ist und man kein großes SDK installieren muss.

Nur am Anfang eines jeden Plotvorganges wird das Trägerpapier mit der Platine einmal komplett hin- und hergefahren, und hier lässt sich an der Geschwindigkeit leider nichts ändern. Bei einseitigen Platinen ist das kein Problem, man lässt die Platine in Y-Richtung einfach etwas größer und sägt erst nach dem Ätzen auf die endgültige Größe. Bei doppelseitigen Platinen ist dieses unvermeidbare hin- und herfahren die letzte Unsicherheit. Bei Platinen bis etwa Eurokarten-Größe geht's aber meistens trotzdem gut.

Bei doppelseitigen Platinen lasse ich die Platinenumrandung der Rückseite mit in die HPGL-Datei exportieren. Dann plotte ich zuerst die Rückseite. Diese muss gut trocknen, anschließend bohre ich genau an den Ecken der geplotteten Platinenumrandung möglichst kleine Löcher (0,5 - 0,8mm). Für das Plotten der Vorderseite nehme ich einen Trägerkarton ohne Anschlagwinkel, der erst einmal sorgfältig genau eingelegt und mit je einer Nulllinie für X- und Y-Richtung beplottet wird. An diesen Nullinien werden die Bohrungen der umgedrehten Platine genau ausgerichtet. Die Platine wird auf dem Karton mit Klebestreifen fixiert, der Karton wird wieder sorgfältig genau eingelegt und die zweite Seite geplottet.

Ob man zuerst die Vorder- oder Rückseite plottet, ist im Prinzip egal. Man muss aber darauf achten, dass bei der zweiten Seite die Platinenumrandung nicht geplottet wird - dabei könnte das feine Röhrchen nämlich in die Eck-Bohrung eintauchen... Ordentlich geputzt müssen beide Seiten werden, ich habe 1000er Schleifpapier, Schleifvlies aus der Sanitärabteilung im Baumarkt und den beliebten Polibloc ausprobiert. Alle Varianten funktionieren, am einfachsten finde ich das Vlies der Sanitär-Löter.

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Maximal erreichbare Ergebnisse


Beim HP7475 ist vermutlich nicht viel bessere Qualität herauszuholen, weil der Antrieb des Trägerpapiers über raue Röllchen auch unter Einsatz der Plotterbremse kleine Ungenauigkeiten hervorrufen kann. Diese können sich bei einem längeren Plotvorgang zu einem störenden Versatz aufsummieren.

Bei einem Flachbettplotter liegt die Platine still.

Glücklicherweise konnte ich einen Roland DXY-1150 ergattern. Der hat eine magnetische Auflage, auf der man Papier mittels flexibler Metallstreifen fixieren kann - aber leider ist schon eine normale 1-1,5mm starke Platine zu dick, die Stifthalterung setzt auf der Platinenoberfläche auf. Also muss die Magnetauflage 'runter, darunter kommt eine lackierte Stahlblechfläche zum Vorschein. Da kann man die Platine auflegen und mittels Gummistreifen und flachen Scheibenmagneten fixieren:




Die Gummistreifen stammen von einer zerschnittenen Schwimmkappe aus Latex, das haftet recht gut. Die teureren Silikon-Schwimmkappen glibbern hingegen zur Seite, taugen als Rutschhemmer für die Magnete also nicht.

Die Stiftaufnahme des Roland ist zwar kompatibel mit den HP-Stiften, aber im Detail doch anders geformt. Das Fixieren des Stifts mittels Gummiband geht hier nicht, aber mit einer kleinen Bohrung und einem dünnen Kabelbinder bekommt man auch hier den Stift bombenfest eingesetzt:




Damit sieht eine Platine dann so aus (doppelseitig, hier die teilbestückte Oberseite und ein Testplot der Unterseite):




Da passt eine 0,35mm breite Leiterbahn zwischen zwei achteckigen Lötaugen mit 1,5mm Durchmesser im 2,54mm-Raster ebenso hindurch wie unter einem SMD-Widerstand in 1206-Bauform. Bevor jemand sucht: Nein, eine Leiterbahn zwischen zwei Lötaugen ist auf diesem Beispiel nicht zu sehen, es passt aber trotzdem. Die Leiterbahnbreiten und Lötaugendurchmesser sind die gleichen wie oben unter "Bessere Ergebnisse". Neu ist bei diesem Beispiel das SO16-IC, was völlig problemlos zu verarbeiten war.

An den Stiften kann man etwas herumbasteln. Das bringt zwar keine weitere Verbesserung, aber Kostenersparnis - die Rotring-Stifte sind ja nicht ganz billig. Irgendwo im Internet habe ich die Idee aufgeschnappt, dass man Zeichenstifte auch aus sehr kostengünstigen Einwegspritzen basteln kann. Insulinspritzen beispielsweise haben eine Kanüle mit etwa 0,3mm Durchmesser, na, das passt doch und die gibt's in der Apotheke im Zehnerpack für unter 5,-€:




Der Außendurchmesser liegt bei 6mm, sodass man die Zentralbohrung in einem Kunststoff- oder Holz-Rundstück mit einem einfachen Spiralbohrer machen kann. Die Außenform habe ich mit einer Mini-Drehmaschine hergestellt und dabei den Durchmesser einen halben Millimeter größer gelassen als beim HP-Stift. Der Ring ist auch etwas dicker. Damit klemmt der Stift auch ohne Kabelbinder fest in der Stifthalterung, sodass das Gefummel mit dem Kabelbinder entfällt.




Die Kanüle wird mit einer Mini-Trennscheibe (Dremel, Proxxon...) gerade abgeschnitten und plan geschliffen. Dazu habe ich erst einen feinen Schleifstein und zum Abschluss Schleifpapier mit 1000er Körnung verwendet. Den Grat in der Bohrung der Kanüle kann man unter der Lupe mit der Spitze einer zweiten Kanüle entfernen, danach wieder planschleifen und auch den Grat an der Außenseite entfernen. Zum Schluss den langen Kunststoffzylinder auf geeignete Länge absägen und darauf achten, dass keine Späne die Kanüle verstopfen.

Ja, das funktioniert auch:




Leider geht's nicht gut mit der Edding-Tinte, die trocknet nach etwa zwei Minuten Plotdauer trotz permanentem Tintenfluss in der Kanüle ein. Nun bin ich noch auf der Suche nach alternativer Tinte. Der nächste Versuch wird mit verdünntem Acryllack aus dem Modellbau gestartet. Ergebnisse folgen...




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