3D-Druck von PCBs und Erstellung von Druckmodellen

Altium Concord Pro™ als eigenständiges Produkt und Markenname wurde eingestellt, und die Funktionen sind jetzt als Teil unserer Altium Enterprise-Lösungen verfügbar. Erfahren Sie mehr hier.

Ich habe es in letzter Zeit genossen, mit Altium Concord Pro® zu arbeiten, das auf der Altium 365®-Cloud gehostet wird. Eine der besten Funktionen von Altium 365 ist die Unterstützung der mechanischen Zusammenarbeit mit SolidWorks, PTC Creo und Autodesk Inventor. Dank der Projekt-Hosting-Funktionen durch Altium 365 ist es einfach, ein geteiltes Projekt in Altium Designer zu öffnen und es in eine dieser beliebten MCAD-Anwendungen zu importieren.

Altium Designer® war die erste Software in der ECAD-Industrie, die 3D ernsthaft in Betracht gezogen hat. Die meisten ECAD-Softwarelösungen haben immer irgendeine Art von 3D-Export integriert, aber meiner persönlichen Meinung nach waren die Funktionen oft halbherzige Versuche, die höchstens dazu dienten zu überprüfen, ob das Board ins Gehäuse passt. Altium Designer bietet eine vollständig integrierte Umgebung, in der 2D und 3D Hand in Hand gehen, und Sie können 2D-Layoutfunktionen in der 3D-MCAD-Ansicht in Altium Designer durchführen. Der 3D-first-Ansatz war schon immer einer der Stärken der Plattform und ist einer der vielen Gründe, warum ich immer wieder Altium Designer als meine bevorzugte ECAD-Software ausgewählt habe.

Die Funktion war bei mehreren Gelegenheiten ein absoluter Lebensretter, als ich in der Industrie für Leistungsumrichter gearbeitet habe. Leistungsumrichter haben sperrige Elektrolytkondensatoren, PFC-Spulen, die beträchtliche Mengen an Leistung abgeben, und Leistungsmodule, deren Pins es Ihnen kaum erlauben, die Isolationsanforderungen zu erfüllen. All diese Komponenten müssen oft in unmittelbarer Nähe zu Kondensatoren, die so groß wie eine Cola-Dose sind, eingepasst werden.

Die MCAD Altium CoDesigner-Erweiterung ist bei jedem Concord Pro auf Altium 365-Konto enthalten und ermöglicht eine nahtlose Integration und Zusammenarbeit zwischen mechanischer und elektronischer Ingenieurarbeit. Der Prozess des Entwerfens von Leistungselektronik ist intrinsisch dreidimensional; die Physik kümmert sich nicht um unsere Vorliebe, das Universum auf flache Papierbögen zu bringen. Die komplexen Wärme- und Ladungstransfermuster von Leistungsgeräten müssen in 3D modelliert, analysiert und verstanden werden, um eine wettbewerbsfähige Markteinführungszeit und eine kompakte Form zu ermöglichen. Altium Designer ermöglicht es mir, das während jeder Sekunde des Entwurfsprozesses zu tun.

Was ist mit dem 3D-Druck von PCBs?

Dennoch gibt es ein Stück des Puzzles, das nicht passt. Ich würde gerne physische 3D-Prototypen meiner Platinen zur gleichen Zeit haben, wie mechanische Prototypen der Gehäuse in meinem 3D-Drucker gedruckt werden. Wenn Sie PCBs oder Gehäuse für Ihre PCBs 3D-drucken möchten, müssen Sie Druckanweisungen für Ihr Design generieren, entweder mit einer Standard-MCAD-Anwendung oder einem Mesh-Dateigenerator.

Viele haben versucht, die STEP 3D-Ausgaben von Altium Designer in Standardformate für die 3D-Druckindustrie, wie STL oder OBJ, zu konvertieren, allerdings mit gemischten Ergebnissen. Die resultierenden Dateien sind oft sehr groß und neigen zu Fehlern, wenn sie in 3D-Drucksoftware importiert werden. Einige 3D-Druckerhersteller haben Software, die Ihr Design in eines dieser Formate oder ein proprietäres Format umwandeln kann, aber diese Ausgaben sind für spezifische 3D-Drucker konzipiert und nicht als universelle Ausgaben.

Einige Komponenten verschwinden oft ganz, und ich kann bezeugen, dass dies scheinbar öfter bei Verbindern passiert, vielleicht die kritischste Komponente in der mechanischen Integration. Das Problem besteht weiterhin, wenn man durch 3D-CAD wie Solidworks oder PTC Creo geht. In diesem Artikel können Sie herausfinden, warum das passiert und wie man es angeht. Spoiler-Alarm: Es liegt nicht an Altium.

Was ist eine Mesh-Datei?

Eine Mesh-Datei, oder genauer eine Polygon-Mesh-Datei, enthält Vertices (Eckpunkte), Kanten und Flächen, die zusammen die Form eines 3D-Objekts definieren. Das Ziel beim Erstellen einer Mesh-Datei ist es, das 3D-Objekt mit diesen Polygonen neu aufzubauen, sodass wir die wahre Form als Kombination von Polygonen annähern.

In mathematischen Begriffen ist das resultierende Objekt ein sehr seltsames Polyeder, das meist aus einer enormen Anzahl von Dreiecken mit überlappenden Eckpunkten besteht. Dreiecke werden am häufigsten verwendet, um komplexe 3D-Strukturen darzustellen, da sie Kurven sehr schön annähern können, während Würfel oder Parallelepipede gezackte Kanten entlang einer gekrümmten Oberfläche hinterlassen.

Mesh-Dateiformate

Die gängigsten Mesh-Dateiformate im 3D-Druck sind STL, OBJ, AMF und 3MF.

• STL ist der de-facto Standard für moderne, erschwingliche 3D-Drucker. Es unterstützt nur die grundlegendsten geometrischen Informationen, kann jedoch keine Farben oder zusätzliche Metadaten kodieren. Das Format geht zurück auf den ersten kommerziellen 3D-Drucker im Jahr 1987, den SLA-1. Die Industrie hat sich längst auf STL als Standard geeinigt, aber das Format ist anfällig für Fehler, und die resultierenden Dateien können schwer und langsam zu lesen sein.
• OBJ ist eine modernere Alternative, die es erlaubt, Farbdaten zu speichern, und sie unterstützt fortgeschrittenere Oberflächen als die Dreiecksnetze von STL und wird meistens mit Farb-3D-Druckern verwendet.
• AMF wurde 2011 als ASTM-Standarddateiformat für den 3D-Druck eingeführt und sollte eine Alternative zum STL-Standardformat sein.
• 3MF hat in den letzten Jahren AMF überholt, das Open Source ist und von zahlreichen 3D-Druckerherstellern und Softwarehäusern unterstützt wird.

Altium Designer kann 3D-Platinendaten entweder im STEP 3D, Parasolid oder VRML Dateiformat exportieren, von denen keines ein Mesh-Dateiformat ist und daher nicht zur Generierung von 3D-Druckanweisungen für PCBs verwendet werden kann. Wir werden die STEP-Exportfunktion in Altium Designer als unseren Ausgangspunkt verwenden, da STEP-Dateien der Industriestandard für den 3D-Datenaustausch sind. Unser Zielformat wird für diese Demonstration STL sein. Als ältestes und einfachstes verfügbares Format ist es leicht in jedes andere Format zu konvertieren und wird von nahezu allen 3D-Druckern unterstützt.

Mesh-Dateianforderungen für das 3D-Drucken von PCBs

Ein Slicer-Programm ist die Software, die dafür verantwortlich ist, 3D-Modelle in reale Objekte zu übersetzen. Wie der Name schon sagt, funktioniert es, indem das Objekt in eine Serie von horizontalen Schichten geschnitten wird.

Horizontales Schneiden einer Pyramidenform

Auf dem Markt gibt es viele 3D-Drucker, und verschiedene Drucker können unterschiedliche Druckverfahren verwenden. Das am weitesten verbreitete Verfahren ist das Fused Deposition Modeling (FDM), welches dasselbe Verfahren wie bei gängigen Kunststofffilamentdruckern verwendet. FDM-Drucker funktionieren, indem sie ein erhitztes Kunststofffilament in einem horizontalen Muster extrudieren und ablegen, und die 3D-Struktur wird aufgebaut, indem in aufeinanderfolgenden Schichten abgelegt wird.

FDM-Slicer erstellen eine Reihe von Pfaden, denen der Extruder folgen soll. Jede Schicht besteht typischerweise aus zwei oder mehr äußeren Schleifen, die die Form des Objekts definieren. Eine interne Füllstruktur wird verwendet, um mechanische Steifigkeit zu gewährleisten und die nächsten Schichten zu unterstützen.

Die erste und letzte Schicht, jeweils unten und oben am resultierenden Objekt, sind normalerweise vollständig gefüllt. Zwischenschichten sind in der Regel nur teilweise gefüllt, um die Druckzeit, Materialkosten und das Gewicht des fertigen Produkts zu reduzieren.

Damit der Slicer seine Arbeit verrichten kann, muss das Modell ein mathematisches Manifold sein. Im begrenzten Szenario von 3D-Meshes bedeutet dies, dass alle Kanten mit zwei und nur zwei Flächen verbunden sein müssen. Viele 3D-Modelle können Merkmale aufweisen, die außerhalb dieser Anforderung fallen.

• Offene Körper oder zum Beispiel ein Würfel mit einer entfernten Fläche.
• Ebenen
• Flächen oder Körper, die durch einen einzelnen Vertex oder Körper verbunden sind, die durch eine einzelne Kante verbunden sind
• Innere Flächen
• Gegenüberliegende Normalen; die Flächen haben eine Richtung, und alle müssen nach außen zeigen, damit das Modell 3D-druckbar ist

State of the Art Modellgenerierung für 3D-Druck von PCBs

Bevor die hier erklärte Technik eingeführt wurde, musste jedes Bauteil aus ausschließlich fehlerfreien 3D-Körpern bestehen und hochpräzise STEP-Dateien verwenden, wenn Sie Ihre Entwürfe 3D-drucken wollten. Jedes Bauteil müsste leicht von der Platine angehoben oder perfekt positioniert werden, unter keinen Umständen dürfte es mit dem Platinenkörper überschneiden. Pins müssten in jedes Durchgangsloch passen.

Viele 3D-Modelle, insbesondere die von Herstellern bereitgestellten, erfüllen diese Anforderungen nicht. Hier sind einige Beispiele für Probleme, auf die ich in den letzten Monaten gestoßen bin:

• Ein Elektrolytkondensator mit Kunststoffstiften, die leicht mit der Platine überschneiden können
• Ein SMD-Chipwiderstand, dessen keramischer Hauptkörper als Festkörper gezeichnet ist, aber mit den Metallkontakten als offene Flächen gezeichnet sind
• Steckverbinder, bei denen die Pins den Hauptkörper überschneiden
• Steckverbinder, bei denen gefaltete Metallkontakte als Flächen dargestellt sind
• DIP-Pakete, die mit den Pins in einem Winkel gezeichnet sind

Altium Designer unterstützt vollständig jedes gängige Objekt in 3D-STEP-Dateien und akzeptiert problemlos jedes 3D-Modell, das wir ihm geben, ohne zu murren. Software für 3D-Druck kann hingegen nur mit perfekt geformten geschlossenen Körpern arbeiten.

Was passiert bei gängigen STEP-zu-STL-Konvertern

In diesem Beispiel habe ich mein Standard-Demodesign genommen. Dieses analoge Display wurde als Teil des Portfolios meiner Firma für Mikrowellenoptik-Plattformen prototypisiert und als STEP-Datei exportiert. Ich habe versucht, die Datei mit einigen beliebten STEP-zu-STL-Konvertern zu konvertieren. Alle diese Konverter haben mechanische Komponenten problemlos gehandhabt, aber bei einer exportierten STEP-Datei für eine PCB sind die Ergebnisse gemischt.

• Makexyz.com: Die Konvertierung wurde ohne Fehler abgeschlossen, aber die resultierende Datei ist nur 84 Bytes groß und enthält keine Daten.
• Siemens NX: Ich bat einen Kollegen, Siemens NX zu verwenden, das für die Handhabung von Containerschiffmontagen verwendet wird. Er berichtete, dass Siemens NX die STEP-Datei korrekt importiert hat, aber eine STL-Datei nur für eine Komponente auf einmal generieren würde und nicht für das gesamte Board. Um das Board als einen einzigen Körper zu exportieren, ist eine Nahtoperation erforderlich, aber der Prozess ist teilweise manuell und erfordert zu viel Zeit für eine elektronische Platine mit hunderten von Komponenten.
• Craftcloud: Craftcloud meldet einen Fehler „Upload fehlgeschlagen“.

Umwandlung von Altium Designer Dateien in STL

Um Ihre PCB-Dateien erfolgreich in das STL-Format zu konvertieren, müssen wir einen Schritt weiter gehen als herkömmliche Meshing-Software. Ich fragte mich, welche Software ist am wählerischsten, wenn es um Mesh-Daten geht? Welche Art von Software funktioniert nicht, wenn das Mesh nicht perfekt ist? Die einen Wutanfall bekommt, wenn sie ein umgedrehtes Gesicht erhält und so stark abstürzt, dass Ihr ganzer Computer für 15 Minuten unbrauchbar wird? FEM. Finite-Elemente-Methode-Simulation. Wenn Sie etwas wie Ansys verwenden, sind Sie vielleicht bereits mit FEM-Software für strukturelle, thermische, fluiddynamische oder elektromagnetische Simulationen vertraut.

Der in FEM-Simulationssoftware verwendete Feldlöser benötigt perfekte Meshes. Irgendwo in jedem FEM-Paket gibt es Meshing-Algorithmen, die einfache Meshing-Software weit hinter sich lassen, vielleicht versteckt unter einem Import-/Export-Menü.

Leider können FEM-Softwarepakete enorm teuer sein, oft um ein Vielfaches teurer als eine Altium Designer Lizenz. Glücklicherweise kam mir eine Open-Source-Software namens Gmsh zur Rettung. Die Software kann [hier] heruntergeladen werden und ist unter der GNU General Public License lizenziert, was bedeutet, dass sie sowohl für persönliche als auch für kommerzielle Projekte kostenlos genutzt werden kann.

GUI-Nutzung

Um eine STEP-Datei mithilfe der grafischen Benutzeroberfläche (GUI) in eine STL-Datei umzuwandeln, können Sie folgenden Prozess befolgen:

• Datei öffnen (Datei, Öffnen). Dies kann bis zu 10 Minuten dauern
• Volumetrisches Vernetzen durchführen. (Module, Netz, 3D)
• Als STL speichern (Datei, Exportieren)

Der Vernetzungsprozess kann lange dauern, sogar eine halbe Stunde für Platinen mit vielen Komponenten.

Der Status der Konvertierung wird in der unteren Leiste angezeigt.

Befehlszeilennutzung

Ähnlich wie bei der GUI-Nutzung können wir die Befehlszeile verwenden, um die Konvertierung durchzuführen, indem wir das Befehlszeilenfenster im richtigen Verzeichnis öffnen und folgenden Befehl eingeben:

.\gmsh.exe .\input.step -3 -format stl -refine -o output.stl

Die Eingabe-STEP-Datei sollte im selben Verzeichnis wie ghsm.exe platziert werden, damit dieser Befehl funktioniert.

3D-Druck Ihrer PCBs

Ich bin stolzer Besitzer eines Prusa MK3, einem der beliebtesten 3D-Drucker auf dem Markt. Wenn du einen orangefarbenen Drucker siehst, der aussieht wie ein Spielzeug für Maker, dann ist es ein Prusa. Aber man sollte sich nicht von ersten Eindrücken täuschen lassen; dieser Drucker ist ein leistungsfähiges und gut konstruiertes Werkzeug, weit mehr als viele seiner industriell aussehenden Gegenstücke.

Der Drucker verfügt über ein vollständig offenes Hardware-Design und Open-Source-Software. Der Slicer, genannt PrusaSlicer, gehört zu den besten auf dem Markt. Ich habe die STL-Dateien, die wir gerade erzeugt haben, in PrusaSlicer importiert. Sie sind ein bisschen schwer, aber die Software bewältigt es mit Anmut. Die STL-Dateien werden erfolgreich geschnitten, mit nur ein paar Warnungen, meist über die Unfähigkeit des Druckers, Merkmale kleiner als die Düsengröße zu erstellen.

Schlussfolgerungen

Beim Arbeiten mit der MCAD CoDesigner-Funktion in Concord Pro auf Altium 365 ist es möglich, Ihr PCB-Layout zu nehmen und Mesh-Dateien für den 3D-Druck von PCBs vor einem Prototyping-Durchlauf zu erstellen. Mit der oben gezeigten kostenlosen Software könnten Sie STEP-Modelle Ihres Altium-PCB-Layouts in branchenübliche 3D-Druckformate wie STL konvertieren. Dies bietet eine schnelle und effektive dimensionale Überprüfung, wenn Ihr Board (einschließlich Komponenten) als Kunststoffmodell 3D-gedruckt wird.

Fortgeschrittenere 3D-Drucker, wie die von Nano Dimension und Optomec, können verwendet werden, um eine voll funktionsfähige Leiterplatte aus STL-Dateien zu drucken. Wenn Sie diesen Weg gehen, müssen Sie nur das nackte Board als STEP-Modell exportieren und in eine STL-Mesh-Datei konvertieren, um Druckanweisungen zu generieren. Ob Sie einen 3D-Drucker haben oder nicht, Sie können die Produktseite von Altium Concord Pro besuchen, um die Integration zwischen Altium 365 und beliebten MCAD-Anwendungen wie SolidWorks, PTC Creo und Autodesk Inventor zu nutzen.

Möchten Sie mehr darüber erfahren, wie Altium Ihnen bei Ihrem nächsten PCB-Design helfen kann? Sprechen Sie mit einem Experten bei Altium.