3D-STEP-MODEL IN EINER FOOTPRINT-BIBLIOTHEK ERSTELLEN

Erfahren Sie hier, wie man ein 3D-Step-Model in einer Footprint-Bibliothek erstellt. Im PCB-Designprozess müssen Sie heute in der Lage sein, den Arbeitsablauf des Mechanik-Designs in ein Elektronik-Designtool zu integrieren. Die Übertragung ungenauer Design-Daten zwischen ECAD und MCAD sorgt nicht nur für Frustration bei beiden Design-Teams, sondern auch die Zahl der Design-Durchläufe, die nötig sind, bis das PCB in die finale Baugruppe passt, kann drastisch zunehmen. Unabhängig von den 3D-Möglichkeiten des eigentlichen Elektronik-Designtools gilt, dass es ohne präzise Angaben zur Erstellung von 3D-PCB-Modellen nicht möglich ist, die mechanischen Abstände zu analysieren.

EINFÜHRUNG IN DIE ERSTELLUNG VON 3D-STEP-MODELS

Verschiedene EDA-Umgebungen bieten unterschiedliche Unterstützung für die Erstellung von 3D-Step-Models. Einige bieten gar keinen Support, sodass alle Mechanik-Daten vom MCAD-Tool kommen müssen. Andere nutzen veraltete Methoden wie DXF oder IDF für den Informationsaustausch. Die PCB-Designsoftware Altium Designer unterstützt das Einbetten von 3D-STEP-Modellen zur Bereitstellung präziser Informationen zur Modellierung, die dann nicht nur an den MCAD-Bereich übertragen, sondern auch direkt in den Host-ECAD-Tools verwendet werden können.

Das Erstellen und Einbetten von 3D-STEP-Modellen ist ein recht einfacher Vorgang, wie in diesem Dokument beschrieben. Allerdings kann es Situationen geben, in welchen man einfach kein STEP-Dateimodell verwenden kann oder möchte. Es kann sein, dass Ihnen kein interner MCAD Bereich zur Verfügung steht Es kann sein, dass Sie keine 3D-MCAD Tools besitzen. Oder vielleicht erlaubt Ihr Betrieb keine extern beschafften rechnergestützten Designdaten jeglicher Art und verhindert somit das Downloaden der Modelle. Andere Sicherheitsbeschränkungen könnten Sie vollständig vom Zugriff auf das Internet abhalten.

Zum Glück bietet Ihnen Altium Designer Methodiken, mit denen Sie die Mechanik-Daten Ihrer Bauteile direkt im Tool erstellen können. Idealerweise erledigen Sie das in der Footprint-Bibliothek (.PcbLib) selbst; ausnahmsweise können Sie das aber auch auf Platinenebene (.PcbDoc) tun. In diesem Whitepaper erfahren Sie, wie Sie 3D-Modelle erstellen. Außerdem erhalten Sie Tipps für das Erstellen gängiger Bauteile.

INTERNE 3D-STEP-MODELLTYPEN

Altium Designer bietet drei grundlegende 3D-Formen zur Erstellung von Mechanik-Modellen: Extrudiert, Zylinder und Kugel. Jede davon kann allein oder in Verbindung mit anderen Formen genutzt werden. Am häufigsten dürfte das extrudierte Modell verwendet werden. Wenn Sie ein solches erstellen möchten, zeichnen Sie einfach eine Polygonform und geben Sie dieser einen Höhenwert. Die Form wird dann um diese Höhe nach oben (oder unten) extrudiert.

Die Typen Zylinder und Kugel sind selbsterklärend. Für den Zylinder geben Sie die Werte Radius, Höhe und Rotation ein, auf deren Basis das System automatisch die Form zeichnet. Für die Kugel brauchen Sie nur den Radius anzugeben. Mit diesen einfachen Formen können Sie eine Vielzahl von SMDs und Durchsteckbauteilen erstellen, deren Spektrum von simplen bis zu überraschend komplexen Formen reichen.

WIE ERSTELLT MAN EIN 3D-STEP-MODELL?

Wir arbeiten zwar mit 3D-Modellen, die beste Möglichkeit, diese zu erstellen, ist aber der 2D-Layoutmodus (View -> 2D Layout Mode). Wir können später auf den 3D-Modus umschalten, um Änderungen am Modell vorzunehmen. Jeder Modelltyp beginnt auf die gleiche Weise. Gehen Sie zunächst auf Place -> 3D Body. Wählen Sie dann die geeignete „3D Model Type“ Option:

3D-Step-Model erstellen

EXTRUDIERTE MODELLE

Zur Erstellung eines extrudierten Modells müssen Sie nur das Feld „Overall Height“ ausfüllen.

Die weiteren Bereiche sind optional und/oder können später bearbeitet werden.

Extrudiertes 3D-Step-Model

erstellen

Alt Text: Extrudiertes 3D-Step-Model erstellen

Indem Sie auf OK klicken, kehren Sie zum Design Arbeitsplatz im Zeichenmodus zurück. Im Anschluss verwenden Sie standardmäßige Altium Designer Methoden, um eine vollständig umschlossene Polygon-Umgebung als Modellform zu erstellen: Mit einem Klick starten Sie die Form, dann ziehen Sie die Maus und klicken noch einmal, um die nachfolgenden Ecken zu erstellen. Sie schließen die Form mit einem Rechtsklick mit der Maus oder mit der „Escape“ Taste ab. Das 3D-Step-ModelDialogfenster erscheint wieder, wenn eine zweite Form hinzugefügt werden muss. Klicken Sie auf Abbrechen, wenn nur eine Form gewünscht ist.

Einige Tipps zum Erstellen Ihrer gewünschten Polygonform:

Bevor Sie mit der Form beginnen, können Sie mit der Schnellwahltaste „G“ das Fangraster einrichten.

Mit „Umschalt+E“ können Sie zwischen den verschiedenen Modi der „Snap To…“-Funktion wechseln.

Mit „Umschalt+Leertaste“ wird der Eckmodus umgeschaltet (z. B. orthogonal, diagonal, Bogen etc.).

Mit der Leertaste können Sie die Richtung des nächsten hinzuzufügenden Segments ändern.

Wenn Sie während des Zeichenvorgangs auf „Delete“ drücken, wird die letzte hinzugefügte Ecke/Eckpunkt entfernt.

Nach Abschluss der Form wird im 2D-Arbeitsbereichsmodus ein schraffierter Bereich angezeigt, der den Körper wie im unten gezeigten Beispiel mit einer rosafarbenen Schraffur darstellt.

2D-Arbeitsbereich Modus, um 3D PCB-Modelle zu erstellen

Wenn Sie in den 3D-Modus wechseln (View » 3D Layout Mode), wird das 3D-Step-Modell angezeigt:

Ansicht des 3D-Step-Models

3D-Step-Models können Sie in Altium Designer in der X/Y-Ebene verschieben, indem Sie darauf klicken und sie ziehen. Beim Ziehen können Sie den Körper mit der Leertaste drehen oder mit den Tasten „X“ bzw. „Y“ entlang der X- bzw. Y-Achse spiegeln.

Weitere Änderungen können Sie mit einem Doppelklick auf den Körper vornehmen: So kehren Sie zum Dialog „3D Body“ zurück. Dort können Sie weitere Eigenschaften des Modells wie Farbe oder Abstandshöhe (d. h., die Höhe, in der sich das Modell später über der Platinenoberfläche befindet) festlegen. Die Änderungen können Sie zwar auch im 2D-Modus vornehmen, aber in einigen Situationen macht sich das direkte visuelle Feedback im 3D-Modus durchaus bezahlt. Die Konturen der Form sollten Sie allerdings stets im 2D-Modus bearbeiten.

ZYLINDER UND KUGELN

Zylinder- und Kugelformen sind etwas leichter zu erstellen: Dort müssen Sie nur die Maße eingeben. Das System zeichnet die Formen dann automatisch gemäß diesen Abmessungen.

Zylinder eignen sich für Modelle wie Durchsteckwiderstände und Elektrolytkondensatoren. Außerdem können sie auch die Durchsteckkontakte oder Leitungsenden darstellen.

3D Step-Models:

Zylinderförmig

Alt Text: 3D Step-Models: Zylinderförmig

Kugeln sind wesentlich weniger vielseitig als die extrudierten oder zylinderförmigen Modelle, aber zusammen mit anderen Formentypen können sie immer noch sehr nützlich sein. Zum Beispiel wurde das LED-Modell unten mit allen 3 Modelltypen erstellt:

3D Step-Models:

LED-Modell

Alt Text: 3D Step-Models: LED-Modell

Hier sind die Einzelteile, aus denen die LED zusammengesetzt ist:

Einzelteile eines LED-Modells

EXTRUDIERTE FORMEN AUS VORHANDENEN KONTUREN ERZEUGEN

Ein Teil der Arbeit für die Anschlussfläche Ihres Bauteils umfasst möglicherweise Siebdruck- oder andere Mechanik-Konturdaten, welche die Form des Bauteilkörpers definieren. Sehen Sie sich beispielsweise dieses BGA-Gehäuse an:

BGA-Paket

Die gelbe Overlay-Kontur (Siebdruck) wurde wahrscheinlich mit derselben Form und Größe erstellt wie der eigentliche Bauteilkörper. Warum also nicht diese Informationen wiederverwenden, anstatt sie manuell noch einmal neu zu zeichnen? Altium Designer bietet eine Funktion zum Erstellen extrudierter 3D-Körper anhand vorhandener 2D-Formen.

Gehen Sie in der Footprint-Bibliothek (.PcbLib) auf Tools » Manage 3D Bodies for Current Component… Der daraufhin geöffnete Dialog zeigt Ihnen eine Liste der im Footprint gefunden Formen:

Liste mit Formen in der Footprint-Bibliothek

Beachten Sie, dass einige der aufgeführten Formen als „Polygon shape created from primitives on...“ (Polygonform aus Rohdaten zu...) bezeichnet sind. Dabei handelt es sich um die im Footprint vorhandenen 2D-Linien und/oder -Bögen. Außerdem gibt es noch die „Shape[s] created from bounding rectangle on...“ (Formen aus anliegendem Rechteck zu...). In diesen Fällen hat das System alle vorhandenen Objekte auf einer bestimmten Lage (auch die Kupferlagen) geprüft und ein Rechteck um die Außenpunkte gezogen.

Eine Vorschau der Grundform wird im Vorschaubereich rechts (der rosafarbene Kasten oben) gezeigt. In unserem BGA-Beispiel verwenden wir „Polygon shape created from primitives on TopOverlay“, also unsere eigentliche Siebdruck-Kontur.

Die Spalte „Body State“ zeigt an, ob eine bestimmte Form schon zum Bauteil hinzugefügt wurde oder nicht. Klicken Sie auf den Link „Not in Component“, um den Zustand umzuschalten und die Form zum Bauteil hinzuzufügen:

„Body State“ Spalte im „Component Body Manager“

Beachten Sie, dass sich der Körperzustand auf „In Component“ geändert hat und die Footprint-Vorschau links jetzt die Form als Überblendung auf dem Anschlussmuster zeigt. So können wir grob erkennen, ob wir die richtige Form ausgewählt haben oder nicht.

Die Spalte „Overall Height“ legt die Höhe des Körpers fest, so wie in dem Fall, als wir das extrudierte Polygon manuell im ersten Beispiel erstellt haben. Wie zuvor sind die anderen Felder, wie Farbe des Körpers, optional und können später verändert werden. Wenn Sie auf Schließen klicken, wird die Form der Komponente hinzugefügt, wie in der nachfolgenden Abbildung dargestellt:

Polygonform

Der Menübefehl „Tools -> Manage 3D Bodies for Library“ bietet Zugriff auf eine Liste aller Komponenten in der Bibliothek. Hier ist auch ein „Batch Update“ Modus enthalten, um die Form aus der gleichen Schichte jeder Komponente in die Bibliothek hinzuzufügen. Beispielsweise wurden vielleicht alle Footprints mit einem 2D-Begrenzungsrahmen auf einer der mechanischen Schichten erstellt. Dieser Rahmen könnte in einem Batchvorgang zu allen (oder einigen) der Komponenten in der Bibliothek gleichzeitig hinzugefügt werden.

3D-STEP-MODELS ZU EINEM PCB HINZUFÜGEN

Wenn es keine bestehende PCB-Footprint Bibliothek für eine bestimmte Platine gibt oder wenn eine einmalige Änderung an der Höhe einer Form vorgenommen werden muss, bietet die PCB-Umgebung PCB-Editor die gleichen „Manage 3D Bodies“ Funktionen. Unter „Tools Manage 3D Bodies for Components on Board...“ befindet sich ein ähnlicher Dialog wie unter „Manage 3D Bodies for Library“. Zusätzlich können Sie einer einzelnen Komponente einen 3D-Körper hinzufügen, indem Sie mit der rechten Maustaste auf die Komponente klicken und auf „Component Actions -> Manage 3D Bodies“ im Menü gehen. Die Funktionen sind mit denen im Editor der Bibliothek „Manage 3D Bodies for Current Component“ identisch.

Weitere Informationen zum Erstellen und Verwalten von 3D-Körpern finden Sie hier:

Anleitung zur Erstellung von Bibliothekskomponenten

OCB Objekte – 3D-Körper