Mini Projeler

Kendi kurduğum düzenekler

İhtiyaç duyulan ama hazır almanın pahalı ya da yetersiz kaldığı araçların çoğu bizzat tasarlanıp üretildi. Aşağıda bu küçük ölçekli yapıların nasıl çalıştığı ve süreçte çözülen mühendislik problemleri ele alınıyor.

01 PCB Kazıma CNC 02 UHV Yüksek Sıcaklık Isıtıcısı

01 Donanım · CNC

PCB Kazıma CNC Makinesi

Baskı devre kartı prototiplerini kimyasal aşındırmaya gerek kalmadan, doğrudan bakır yüzeyi kazıyarak üreten bir masaüstü CNC. CNC router mantığıyla tasarlandı; asıl mühendislik ise çift taraflı hizalama, yüzey haritalama ve gürültü kontrolü tarafındaydı.

Kapsam

Mekanik · Elektronik · Yazılım

Yöntem

İzokinetik kazıma · G-code

Çıktı

Çift taraflı · SMD uyumlu

                
                assets/img/mini-pcb-01.jpg
                Görsel eklenecek

Prototip aşamasında bir kartı dışarıya ürettirip günlerce beklemek, hızlı iterasyonun en büyük düşmanı.

Kimyasal aşındırma hem zaman alıyor hem de atık/klor kimyasalları yönetmeyi gerektiriyor. Bunun yerine bakır yüzeyi doğrudan mekanik olarak kazıyan bir tezgâh, tek katmanlı basit kartları dakikalar içinde çıkarmayı mümkün kılıyor. Amaç, laboratuvarda aynı gün içinde tasarla–kaz–lehimle–test et döngüsünü kapatmaktı. Mekanik ve elektronik hazırdı; işin zor tarafı, bu tür bir tezgâhın kâğıt üstünde basit görünen ama pratikte hassasiyet isteyen üç problemini çözmekti.

Hizalama

Çift taraflı kart için hassas homing

Çift taraflı kartta üst ve alt yüzün delikleri ve yolları birbirini mikron mertebesinde tutturmalı. Kartı ters çevirip yeniden bağladığımda makine "sıfır" noktasını tam olarak aynı yerde bulamazsa, iki yüz kayıyor ve via delikleri padlere denk gelmiyordu.

Çözüm: Tekrarlanabilir bir referans kuruldu — mekanik dayamalarla sabitlenen bir jig ve iki adet konumlama pimi. Homing'i endstop'ların mekanik toleransına bırakmak yerine, bakır üzerinde iki referans deliğini prob ile bulup makine koordinatını bu deliklere göre yeniden kalibre eden bir rutin yazıldı. Kart ters çevrilince aynı iki pim, tabla üzerinde önceden kazınmış ayna-simetrik yuvalara oturuyor; böylece ikinci yüz ilk yüzün tam aynasında başlıyor.

Z Haritalama

Yüzeyin Z-ekseninde haritalanması

Bakır katman yalnızca 35 µm kalınlığında. Tabla ile kart yüzeyi arasında onda birlik milimetrelik bir eğim ya da kartın hafif kamburluğu bile, izokinetik uç bir bölgede havada kalıp diğerinde fazla derine dalmasına yol açıyor. Sonuç: bazı yollar hiç kesilmiyor, bazıları ise komşu yolla birleşiyor.

Çözüm: Kazımadan önce ucun kendisini prob olarak kullanıp bakır yüzeye elektriksel temasla dokunan bir yüzey tarama rutini eklendi. Çalışma alanında bir ızgara üzerinde onlarca noktadan yükseklik ölçüp bir Z yükseklik haritası çıkarıyor; ardından G-code'daki her hareketi bu haritaya göre interpolasyonla düzelterek ucun bakıra göre daima sabit derinlikte kalmasını sağlıyor. Böylece minimum sayıda ölçüm noktasıyla eğim ve kamburluk telafi edildi.

EMF Gürültüsü

Spindle motorunun EMF gürültüsü

Yüksek devirli spindle motoru çalıştığında ürettiği elektriksel gürültü, prob temas ölçümünü tetikliyor ve kontrol kartındaki adım sinyallerine karışıyordu. Yüzey haritalama sırasında sahte temaslar okunuyor, kazıma sırasında ise ara sıra adım kaçıyordu.

Çözüm: Sorun katman katman ele alındı — spindle güç hattına EMI filtresi ve ferrit boncuk, motor ile sürücü arasına ekranlı kablo ve tek noktadan topraklama, sinyal hatlarına ise donanımsal RC filtre. Yüzey probu ölçümü spindle durdurulmuş haldeyken yapıldı; kazıma sırasında gelen temas sinyalleri ise yazılımda örnekleme + gecikme (debounce) ile filtrelendi. Güç ve sinyal topraklarını ayırmak, kalan gürültünün büyük kısmını ortadan kaldırdı.

              
              assets/img/mini-pcb-01.jpg
              assets/img/mini-pcb-02.jpg
              assets/img/mini-pcb-03.jpg
              Birden çok görsel = otomatik kaydırıcı
            

02 Donanım · Vakum & Termal

UHV Yüksek Sıcaklık Isıtıcı Modülü

Ultra yüksek vakum (UHV) altında numuneyi 800 °C'nin üzerine çıkarabilen, çıplak dirençli tel ile çalışan bir ısıtıcı düzeneği. Zorluk yüksek sıcaklığa ulaşmak değil; bu sıcaklığı ışınımla soğuyan bir tel üzerinde, reaktif gazlara karşı ve vakumu bozmadan sürdürülebilir kılmaktı.

Kapsam

Mekanik · Termal · Malzeme

Ortam

Ultra yüksek vakum · Reaktif gaz

Çıktı

> 800 °C · UHV uyumlu

Vakum ortamında bir teli 800 °C'ye çıkarmak kolay kısmı; onu orada güvenle ve tekrarlanabilir şekilde tutmak asıl mühendislik problemiydi.

Numune ısıtması için seçilen yöntem basitti: çıplak bir dirençli teli doğrudan akımla ısıtmak. Ancak sistemin çalıştığı ortam — yüksek/ultra yüksek vakum, zaman zaman oksijen ve azot gibi reaktif gazların da verildiği bir hazne — bu basit yöntemi üç ayrı problemle karşı karşıya bıraktı: ısının atılma şekli, telin kimyasal ömrü ve vakumun kendisinin korunması.

Isı Atımı

Vakumda ısı yalnızca ışınımla atılabiliyor

Atmosferde bir telin ısısı iletim ve taşınımla da çevreye dağılır; vakum altında bu iki yol da devre dışı kalıyor, çıplak tel yalnızca ışınımla soğuyabiliyordu. Bu da sıcaklığın teile boyunca eşit dağılmamasına, bağlantı uçlarında ve tel üzerindeki en küçük geometrik düzensizliklerde yerel sıcak noktalar oluşmasına yol açtı — kontrolsüz bırakıldığında tel bu noktalarda erime sınırına yaklaşıyordu.

Çözüm: Açık çevrim akım yerine, tel üzerine yerleştirilen bir termoçift ile gerçek zamanlı sıcaklık geri beslemesi kuruldu; PID tabanlı bir sıcaklık kontrolörü akımı sürekli ayarlayarak ışınımla kaybın değiştiği her noktada dengeyi otomatik yeniden kuruyor. Tel, sabit bir seramik gövdeye simetrik iki noktadan gerilerek bağlandı; bu hem akımın tel boyunca homojen dağılmasını sağladı hem de uç bağlantılarını ısıl kütlesi büyük, göreli olarak soğuk kalan bir bölgeye taşıyarak sıcak nokta riskini bağlantılardan uzaklaştırdı.

Oksitlenme

Reaktif gazlarda oksit tabakası telin incelip kopmasına yol açıyor

Sistem yalnızca vakumda değil, zaman zaman oksijen ve azot gibi reaktif gazlar verilerek de çalıştırılıyor. Yüksek sıcaklıktaki çıplak tel bu ortamda yüzeyinden itibaren oksitleniyor; oluşan oksit tabakası iletken kesiti giderek daraltıyor, tel zamanla inceliyor ve sonunda o noktadan kopuyordu — özellikle uzun süreli deneylerde tekrarlanan bir arıza modu haline geldi.

Çözüm: Tel çapı, hedeflenen ömür boyunca beklenen oksit büyümesini tolere edecek şekilde fazladan pay bırakılarak seçildi; ayrıca her deney öncesi düşük akımla kısa bir ön oksitleme (pasifleştirme) basamağı eklendi. Bu adım, kararlı ve kendini sınırlayan ince bir koruyucu oksit tabakası oluşturarak reaktif gaz verildiğinde tabakanın kontrolsüz kalınlaşmasını yavaşlattı. Tel direncindeki kayma sürekli izlenerek, kesit daralması kritik seviyeye ulaşmadan tel değişim aralığı belirlendi.

Outgassing

Ultra yüksek vakumda outgassing

En büyük problem buydu: ısıtıcıyı oluşturan malzemelerin — tel, izolasyon, bağlantı elemanları — yüzeylerinde ve iç yapılarında hapsolmuş nem ve gazlar, yüksek sıcaklıkta hızla açığa çıkıyor (outgassing) ve haznenin ulaşabildiği basıncı bozarak ultra yüksek vakum seviyesinin tutturulmasını engelliyordu.

Çözüm: Isıtıcıdaki her parça, baştan UHV uyumlu malzemelerle sınırlandırıldı — organik yapıştırıcı, plastik ve kaplamalar tamamen elendi, yalnızca seramik izolatörler ve düşük buhar basınçlı metaller kullanıldı. Montajdan önce tüm parçalar, ayrı bir fırında hedef çalışma sıcaklığının üzerinde uzun süreli bir bake-out işleminden geçirilerek yüzeyde ve gözeneklerde hapsolmuş gazlar önceden atıldı. Tasarımda kör delik ve dar boşluklardan kaçınılarak sanal kaçak (virtual leak) oluşturabilecek geometriler baştan elendi.

← Ana sayfaya dön