Laminiergerät für Leiterplatinendruck umbauen
Motivation
Bei der Platinenherstellung mittels Tonertransfer-Verfahren wird es mit der Zeit ziemlich kompliziert dauernd mit dem Bügeleisen zu arbeiten. Auf der einen Seite ist es vergleichsweise schwierig den Druck möglichst gleich zu verteilen und dabei die richtige Temperatur zu beachten. Auf der anderen Seite verwendet man (wenn überhaupt mehrere Eisen zur Verfügung stehen) aus Bequemlichkeit meistens das Wäsche-Bügeleisen und das führt schnell zu schwarzen Tonerflecken in der nächsten Wäsche...
Eine saubere Lösung ist die Verwendung eines umgebauten Laminiergerätes. Das Papier-Platine-Sandwich wird einige Male durchgeschoben und der erhitzte Toner färbt auf die Platine ab. Allerdings ist dieser Umbau in der Theorie einfacher als in der Praxis.
Laminator im Original
Wir
kauften uns beim Discounter für knapp 16 € einen Olympus A290 Laminator. Die Idee war, das Gerät so zu modifizieren, dass neben Platinen auch weiterhin "echte" Laminierarbeiten durchgeführt werden können. Ausgehend davon wurde versucht, das Gerät zu erweitern, statt es komplett umzubauen. Rückblickend ist dies aus mehreren Gründen Unfug, weil die Walzen nach einigen Platinen nicht mehr richtig aufeinander laufen, um das viel dünnere Papier vollständig zu erfassen. Außerdem verfärben sich die Walzen durch den Toner (ein bisschen kann mal daneben gehen) und können durch die hohe Temperaturbelastung gänzlich untauglich werden (siehe unten).
Nach einigen Recherchen im Internet, scheint es grundsätzlich zwei Gruppen von Laminiergeräten zu geben - elektrisch geregelte bzw. mechanisch gesteuerte. Unseres gehört der zweiten Gruppe an, arbeitet also mit einem Bimetall. Die Abbildung links zeigt die vom Hersteller genutzte Schaltung (nur fürs Heißlaminieren).
Erklärung: Ist das Gerät kalt, so ist der Bimetallschalter geschlossen und der Strom fließt ungehindert durch die Heizung. Bei genügender Erwärmung öffnet er, wodurch die LED zu leuchten beginnt und nurnoch ein minimaler Strom durch die Heizung fließt. Bei dieser handelt es sich um zwei 110V-Heizelemente, die in Reihe geschaltet sind. Das Gerät erreicht dabei etwa 110°C, sinkt dann wieder auf 85°C und heizt schlichlich wieder.
technischer Umbau
Die erste Idee war nun das Bimetall so lange zu brücken, bis die Walzentemperatur 160°C beträgt. Durch die ungleichmäßige Erwärmung führte dies allerdings schnell zu Walzenschäden (siehe unten). Nach vielen Fehlversuchen entschieden wir uns daher für folgende Lösung:
Parallel zum Bimetallschalter arbeitet ein µC-gesteuertes Relais. Schaltet man den Laminator ein, heizt er also wie vom Hersteller vorgesehen relativ schnell auf 110°C bis das Bimetall auslöst. Der µC zieht regelmäßig das Relais für 10 Sekunden an und lässt es für 5 Sekunden abfallen. Ist eine Temperatur von 160°C erreicht wird sofort abgeschaltet. In dieser zweiten Heizphase erwärmen sich die Walzen also langsamer, sodass sich die Hitze besser verteilen kann.
Zur Messung der Referenztemperatur verwendeten wir schließlich ein (eigens für diesen Zweck) erworbenes Infrarotthermometer, nachdem Versuche mit geregeltem Lötkolben (zu Leistungsschwach!), Umluftbackofen (zu große Schwankungen), Algebra (NTC-Werte temperaturbereichsbedingt nicht linear) und Datenblatt (nicht vorhanden) scheiterten. Das IR-Thermometer schlägt zwar ebenfalls mit 16 € und einer langen Lieferzeit (Import) zu Buche, amortisierte sich jedoch bereits durch Nutzen bei anderen Projekten.
Stolperfallen
Einige Fallen wollen wir nicht verschweigen. Fällt der NTC aus, so heizt das Gerät ins Unendliche bis schließlich die Temperatursicherung fliegt und das Gerät abschaltet. Durch den sofort stillstehenden Motor erhitzen sich die Walzen sehr ungleichmäßig. Da wir diesen Fall vorhergesehen hatten, konnten wir mit einem Kaltluftfön die Hitze recht schnell abführen. Die Temperatursicherung sollte daher direkt vor die Heizelemente geklemmt werden, sodass der Motor im Ernstfall weiterdreht.
Ursache für das Problem war ein Kabelbruch vom NTC, sodass der µC ständig von Temperaturen unter dem Gefrierpunkt ausging. Es empfiehlt sich daher den Microcontroller kontrollieren zu lassen, ob die Heizung tatsächlich einen positiven Einfluss auf den Fühler hat.
Die Idee die Heizung für jeweils 5 Sekunden abzuschalten entstand aus der Not heraus. Einen Heizvorgangs quittierte eine Walze mit einem lauten Knall. Ihr Innenleben hatte sich zu stark erhitzt und eine Blase gebildet. Durch die Drehung der Walze wurde diese Blase verdichtet und platzte schließlich (Bild rechts). Nach diesem Vorfall traten regelmäßig, weitere Probleme mit der Walze auf, sodass wir gezwungen waren das Problem zu finden: die ungleichmäßige Erwärmung des Heizelements. Nun sind wir klüger und die Walze ziemlich im A**** - aber für Leiterplatten reicht's noch!
Selbstverständlich dachten wir darüber nach die Heizelemente mittels PWM zu regeln. Allerdings schien uns der dafür nötige Aufwand (Nulldurchgangserkennung) sowie der zusätzliche Schaltungsaufwand übertrieben. Die anfängliche Überlegung war außerdem: "Wenn die ein Bimetallschalter verbauen, reicht auch ein Relais". Mit dieser (allgemein falschen) Überlegung hatten wir glücklicherweise trotzdem Recht.
In der ersten Heizphase klackert das Relais im 10/5-Sekundentakt. Da (durch den Stromfluss durchs Bimetall) nur ein minimaler Abrissfunke entsteht ist dies vertretbar. Allerdings wäre es dann besser auf das Bimetall gänzlich zu verzichten und dem µC zu erklären, was unter "erster Heizphase" verstanden wird.
5. Gefahrenhinweis
Obwohl das Gehäuse des Laminators eigentlich bis 200°C hitzeresistent sein sollte, sollte nach dem Umbau darauf verzichtet werden es wieder drauf zu schrauben. Dass das Gerät nur unter Aufsicht verwendet werden sollte, muss auch nicht erklärt werden.
Spaßenshalber kann auch mal ein Kassenbon durch den Laminator geschoben werden. Das übliche Thermopapier verfärbt sich bei Temperaturen um 100°C schwarz, bei höheren Temperaturen verbrennt die Beschichtung und das Papier wird wieder "weiß". Das sieht ganz lustig aus...