Projets:Lab:2014:Laser PCB

=Impression Directe et PCB express =



La Genèse
Avertissement liminaire : Ce hack ne concerne spécifiquement que les imprimantes Lexmark e260 et Dell 1720. L'extrapolation à d'autres modèles implique à la fois de bonnes connaissances en mécanique, électronique et principes de fonctionnement des imprimantes laser. Le niveau de reproductibilité avec d'autres modèles est encore assez faible. à bon entendeur...

Le but de l'opération est de transformer une imprimante laser afin qu'elle soit capable d'imprimer un motif directement sur un support épais et rigide. De cette manière, il deviant possible de réaliser des circuits imprimés ou des gravures "d'eaux fortes" sans nécessiter de support présensibilisé (photolithographie) ou faire appel à des procédés plus lourds et surtout plus aléatoires (méthode "toner transfer" notamment).

Cette méthode peut être étendue à une multitude d'applications tant artistiques que techniques. Plaques et étiquettes, gravures en taille d'épargne ou taille douce, bijoux de faible épaisseur, faces avant d'instruments électroniques...

Mais surtout, ce hack est le fruit des travaux de Mark Lerman pour les parties mécaniques et électroniques. Durant plus de 5 ans, Mark a dû tuer plusieurs imprimantes, et n'a eu de cesse de perfectionner son "oeuvre" afin de la rendre facilement reproductible.

Jim KI6MZ, de son côté, a résolu les problèmes posés par le processus de "fixation" de l'encre sur le substrat. Mike, K4gmh, pour sa part, a découvert les étranges similitudes entre l'imprimante Lexmark et la Dell 1720.

Qu'ils soient tous trois remerciés pour leurs efforts

Les photographies de l'auteur sont accessibles sur son album en ligne

Une séquence video sur les serveurs Youtubedonne un aperçu de la précision de gravure et de la rapidité du procédé

Le manuel de modification pas à pas a été publié par Instructable. Pour des raisons de droits d'auteur détenus par l'éditeur en question, ce qui suit ne peut être une traduction dudit manuel. Nous nous limiterons à décrire succinctement le procédé utilisé, les principales étapes de la modification ainsi que les perfectionnements et notes diverses qu'il nous a semblé important d'ajouter et qui ne figurent pas dans le déroulé des operations tel que rédigé par Mark Lerman.

Le Principe
Le choix de la Lexmark e260 ou de sa variante OEM Dell n'est pas un hasard.
 * C'est une imprimante haute definition (1200x1200),
 * Son chenal "feuille à feuille" est quasiment rectiligne (totalement rectiligne après modification) et n'offre donc aucun obstacle à un support rigide,
 * Son coeur est constitué d'un tambour sélénium et d'un bac à toner indépendants l'un de l'autre. Ce contrairement aux imprimantes d'entrée de gamme à coeur monobloc dont l'entretien devient coûteux chaque fois qu'il s'agit de renouveler l'encre ou que le tambour est abimé.
 * Le transfert de la poudre de toner du tambour au support métallique est parfait si ce dernier est correctement relié à la masse

La modification consiste à éliminer de l'imprimante tout ce qui ne sert pas à l'impression d'un support rigide.

A commencer par les introducteurs de feuille (automatique et manuel), l'inverseur recto-verso (aka "duplex" dans le manuel de maintenance), le système de fusion du toner (fuser) qui ne dégage pas une température assez élevée pour contrer l'inertie thermique de la plaque de cuivre.

Disparaissent du coup les multiples capteurs qui signalent l'état d'avancement du papier au microprocesseur de l'imprimante. Tel que, le processeur concluerait immédiatement à un bourrage ou à une panne moteur.

Pour éviter cette situation, un microcontrôleur est ajouté, qui "simule" les retours d'informations des capteurs selon un chronométrage très précis. Un seul capteur est en fait utilisé : le "Paper In Sensor" (capteur d'introduction du papier) qui déclenche le début de cycle dès que le "lit d'impression" est tiré par les premiers rouleaux d'entraînement.

Ce "lit d'impression" est constitué d'une plaque d'aluminium qui sert à la fois de chariot d'entraînement, de support à la plaque de PCB et de plan de masse électrique indispensable au transfert des charges lors du dépot du toner sur le support.

Déroulé d'une impression

 * Le lit d'impression est happé par les galets d'entraînement, puis poussé vers le rouleau d'impression (rouleau en mousse situé sous le tambour de l'imprimante).
 * Le sandwich "lit d'impression" et "plaque de pcb" passe entre ce rouleau et le tambour sélénium de l'imprimante.
 * le tambour, chargé d'électricité statique aux endroits frappés par le rayon laser, attire la poudre d'encre (toner),
 * La poudre est ensuite déposée sur la plaque de cuivre. Elle conserve le motif imprimé par la seule force de cohésion de la charge électrostatique.
 * L'ensemble "lit d'impression"/plaque de pcb sort de l'imprimante par une lumière pratiquée dans le volet arrière du périphérique.

A ce stade, un simple coup de chiffon efface le motif imprimé. Il faut alors faire fondre la poudre d'encre pour améliorer son pouvoir couvrant et surtout la faire adhérer au support en cuivre. Il serait envisageable de porter la plaque à 200°C dans un four. Mais James Hutchinson, KI6MZ, a découvert qu'il était possible d'obtenir le même résultat en plongeant la plaque dans une enceinte saturée de vapeur d'acétone durant une vingtaine de minutes. L'opération peut se faire dans un simple recipient hermétiquement fermé dont on aura tapissé le fond avec trois ou quatre cuillères à soupe de diméthyl cétone.

La modification
Téléchargez le "Service Manual" de l'imprimante

Toutes les instructions de démontage débutent au paragraphe 4. Les conseils de démontage ne sont pas répertoriés selon une logique de montage ou démontage, mais en respectant un ordre alphabétique. Ainsi, "Duplex removal" -l'élimination de l'introducteur feuille à feuille, est un chapitre situé avant le "Left side cover removal", le "Right side cover assembly removal" dont la depose doit pourtant, en toute logique, être effectué en premier.

Ce document en main, il suffit de suivre point après point les conseils publiés par Instructable. L'auteur s'est efforcé de respecter à la lettre la dialectique Lexmark. A chaque operation de montage ou démontage, il fait donc référence au manuel de maintenance en utilisant strictement les mêmes dénominations : "Left side cover removal", "Right side cover assembly removal" etc.

Les chapitres précisant que l'on doit se défaire de telle pièce ou ensemble (discard, discarded) indiquent, sauf mention spécifique, que cette pièce ne sera jamais réutilisée. Elle peut donc être soit jetée, soit cannibalisée à son tour pour y récupérer quelques pièces (rouleaux de caoutchouc sur l'inverseur feuille à feuille et dans le bloc fuser, axe d'acier dans le bloc fuser, ressorts sur la partie découpée du plateau de guidage des feuilles etc)

Les photographies légendées qui suivent fournissent quelques indications et astuces concenant les étapes les plus delicates. En cliquant deux fois consécutivement sur le document, on affiche une version "haute definition" de l'image.

Une fois allégée de son boîtier, de son alimentation et de son bac recto-verso, vue sur le chenal d'introduction feuille à feuille qui sera supprimé. On note, au centre, l'un des capteurs de passage du papier (doigt de plastique blanc) qui sera "émulé" par le microcontrôleur

Cette imprimante compte un nombre impressionnant de vis plastique et métal, dont il peut être très difficile de retrouver l'emplacement après deux ou trois jours de chantier. Nous ne saurions trop recommender de replacer chaque vis dans son logement d'origine immédiatement après chaque étape de démontage de bloc, même si une telle méthode oblige d'avoir à dévisser parfois 4 fois de suite telle ou telle partie

L'introducteur démonté, le carter laser doit être totalement protégé avec de la bande adhésive pour qu'aucun débris de plastique ne vienne polluer l'optique et le laser. Au fur et à mesure de la progression du sciage du plateau, les poussières de plastique doivent être aspirées. Les derniers résidus peuvent être chassés à l'air comprimé

Le rouleau se dégage en pinçant latéralement les deux attaches situées de part et d'autre. Attention, un ressort libre se cache sous l'attache située à droite et ne demande qu'à bondir, et un anneau de laiton en extrémité d'axe cherche à en faire autant. Le ressort du bord gauche est "prisonnier" et doit être laissé en place

Le rouleau une fois démonté : il est vivement recommandé de maintenir l'anneau d'extrémité d'axe et le ressort avec un bout de ruban adhésif, pour ne perdre aucune pièce durant le laps de temps nécessaire à la modification du chenal d'impression

Plus d'introducteur feuille à feuille, plus de moteur, plus de carter. Les operations de découpe sont plus pratiques lorsque l'imprimante est placée en position verticale

La découpe du plateau de convoyage principal de l'imprimante est probablement l'étape la plus delicate de l'opération. Elle suit les deux nervures les plus latérales du plateau, et longe le dernier bossage (gouttière du rouleau d'entrainement) situé au dessus du chemin de câblage principal. Prendre garde de ne pas abimer l'axe d'entrainement supportant les galets en caoutchouc.

Découpe du plateau de convoyage le long de la gouttière. Une "scie de voleur" à lame métaux semble être l'outil le mieux adapté pour ce genre de travail. Effectuer l'opération avec un aspirateur à portée de main, ébarber à la lame de cutter, finir à la lime de carrossier

La découpe est achevée et laisse apparaître le ruban adhésif utilisé pour protéger l'optique et le laser de l'imprimante.

Le système de réglage de pression entre les axes des rouleaux d'entraînement ne nous a pas paru d'une esthétique et d'une simplicité exemplaire. Sur une idée de Michel S. de l'Electrolab, la méthode de Mark Lerman a été remplacée par une cordelette Kevlar (corde d'arc) accrochée d'un coté à l'axe dormant du rouleau d'entraînement, et de l'autre côté à un ressort tenseur accroché à un axe. Dans le cas présent, l'axe est constitué d'une tige filetée de 5mm, elle-même bloquée par deux oeuillets situés sur les bords latéraux du bâti de l'imprimante.

Une autre vue du tenseur. Le réglage en tension s'effectue en torsadant plus ou moins la cordelette de traction, de la même manière que l'on règle le "band" d'un arc, au gramme et au millimètre près. Si la tension est trop forte, elle risque de contraindre l'axe dormant et de provoquer une déformation de l'axe qui aura tendance à "bomber" en son centre