Mechanisches Design und 3D-Modellierung helfen beim PCB-Design in eingebetteten Systemen

Als ich auf der Hochschule war, blickten wir Elektronikingenieure (EI) immer ein wenig auf die Maschinenbauingenieure (MI) herab. Unser Fachbereich hatte einen Einführungskurs ins Elektronikingenieurswesen für Maschinenbauer, den wir nur „Schläge für Träge“ nannten. Es ist schade, dass wir die Maschinenbauer als „träge“ verspotteten. Die Rivalität zwischen Elektrotechnik und Maschinenbau dauert nach der Universität meist an, wo sie dann im Bereich der eingebetteten Systeme für Probleme sorgt. Der Markt für dieses Systeme wird jedes Jahr größer und komplexer. Es wird Zeit, vom hohen Ross zu steigen und unseren Design-Prozess in Zusammenarbeit mit Maschinenbauern zu verbessern. Außerdem lernen wir gleich ihre 3D-Modellierungstechniken für die Designs von heute und morgen.

Eingebettete Systeme: Ein wachsender Markt

Das Gebiet der eingebetteten Systeme wächst seit seinen Ursprüngen stetig. Dieses Wachstum wird nun vom Aufkommen des Internets der Dinge (IdD) und der steigenden Zahl von Autos mit fortschrittlichen Fahrerassistenz-Systemen (ADAS) beschleunigt.

Der Marktumfang für eingebettete Systeme lag 2014 bei rund 131 Milliarden US-Dollar und soll bis 2020 auf 214 Milliarden Dollar wachsen . Das ist eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von 6,3%, also ziemlich gut. Das IdD ist eine großartige Branche mit vielen Gelegenheiten, dieses Wachstum zu nutzen. IdD-Geräte verbreiten sich immer mehr und verkörpern einen großen Markt für eingebettete Systeme. Entwerfen Sie nur bitte wenn möglich keine PCBs für alberne IdD-Produkte wie Socken.

Die Automobilbranche trägt auch ihren Teil zur Nachfrage nach eingebetteten System bei. Fortschrittliche Fahrerassistenz-Systeme (ADAS) werden in vielen Autos verbaut und sollen bis 2020 in den USA und der EU Pflicht sein. Leider werden Sie sich mit diesen ungeliebten Maschinenbauern einlassen müssen, die die Autos entwerfen, wenn Sie wollen, dass Ihr PCB Räder bekommen soll. Fahrzeug-Anwendungen setzen kleine, flexible PCBs voraus. Sie sollten also Ihre modernen Design-Techniken auffrischen, bevor Sie sich auf diesen Markt wagen.

Sie müssen vorab wissen, ob Ihr PCB in Eiswürfel eingebettet sein wird.

Elektronik-Design für mechanische Anwendungen

Im Gegensatz zu Maschinenbauern und Elektronikentwicklern haben das Internet der Dinge und ADAS bei eingebetteten Systemen Gemeinsamkeiten gefunden. In beiden Anwendungen müssen PCBs unter mechanischen Beschränkungen entwickelt werden. Das heißt, dass Sie über Ihren Schatten springen und Ihren Design-Prozess mit einigen Maschinenbautechniken optimieren müssen. Diese Prozess-Optimierung besteht aus zwei Schritten: der Zusammenarbeit mit weniger Maschinenbauern und der Übernahme ihrer Design-Werkzeuge.

Aktuell besteht Ihre Kommunikation mit Maschinenbauern vielleicht aus wütender E-Mail-Korrespondenz als Reaktion auf Änderungsaufträge. Während Konflikte zum Leben dazugehören, ist jetzt die Zeit gekommen, weniger zu streiten. Eingebettete System sollten Ihre Friedenstaube sein. Maschinenbauingenieure wissen etwas mehr über Dinge wie Dynamik, Thermodynamik und Fluiddynamik. Offenbar lernen Maschinenbauer nichts außer Dynamiken, wenn das doch nur auf ihren Charakter abfärben würde. Zum Glück brauchen sie keine aufregende Persönlichkeit, um Sie über Kräfte, Temperaturdifferenziale und das Eindringen von Flüssigkeit zu informieren, denen Ihre Leiterplatte ausgesetzt sein wird. Sie können sicher sein, dass die Leiterplatte Ihres eingebetteten Systems diese Probleme haben wird. Das IdD zwängt Leiterplatten in winzige Geräte, die getragen, fallengelassen und verschiedenen Temperaturen ausgesetzt werden. Ein Auto ist ein noch schwierigeres Umfeld, mit Schlaglöchern, Motorhitze und dem Einfluss der Elemente. Bessere Zusammenarbeit mit Maschinenbauern zu Beginn Ihres Design-Prozesses bedeutet später weniger Änderungsaufträge und eine Leiterplatte, die besser zu ihren mechanischen Umweltbedingungen passt.

Mir ist bewusst, dass ich Ihnen in letzter Zeit öfter gesagt habe, dass Sie etwas Neues lernen müssen, aber 3D-Modellierung gehört definitiv auf diese Liste. Es reicht nicht, nur die mechanischen Faktoren zu kennen, denen Ihre Leiterplatte ausgesetzt sein wird. Selbst wenn Sie die perfekte Leiterplatte für alle externen Faktoren gestalten, muss sie immer noch die Frage stelle: „Wird es ins Gehäuse passen?“. Wie oft haben Sie ein Design abgeschlossen, nur um dann den Maschinenbauer zu verfluchen, der das winzige, komisch geformte Gehäuse entworfen hat? Mit Dingen wie IdD-Gabeln und Autos voller Elektronik wird Raum immer wichtiger. Nehmen Sie es selbst in die Hand und prüfen Sie, ob Ihre Leiterplatte wirklich passt, bevor Sie einen teuren Prototypen herstellen. Die neueste PCB-Design-Software kann Ihnen mit der automatischen Erstellung eines 3D-Modells dabei helfen. So lässt sich die CAD-Datei des Gehäuses vom Maschinenbauer importieren und direkt an Ihrem Bildschirm prüfen, ob Ihr PCB passt.

Die aktuellen 3D-Render sind toll, aber sie sind nur ein erster Schritt. Immer komplexere Gehäuse werden fortgeschrittenere 3D-Fähigkeiten erfordern. Es wird nicht mehr reichen, ein flaches PCB in eine Kiste zu packen und darauf zu achten, dass nichts übersteht. Darum empfehle ich, sich ein 3D-CAD-Programm für Einsteiger zu besorgen und den Umgang damit zu üben. Rigid-Flex-PCBs müssen vielleicht in ihr Gehäuse hineingefaltet werden. Vergessen Sie Origami, willkommen im Computerzeitalter. Wenn Sie ein 3D-Modellierungsprogramm beherrschen, können Sie Ihre 3D-PCBs animieren und der Herstellung zeigen, wie die Leiterplatte verbaut werden soll.

3D-Modellierkenntnisse helfen auch dabei, verschiedene Layouts für oberflächenmontierte Technologien (SMTs) auszutesten. Sie wollen wissen, wie Ihre Leiterplatte mit Kühlkörpern in unterschiedlichen Positionen passt? Sie können sie selbst modellieren und die beste Konfiguration finden. Solche Arbeiten brauchen mehr als ein automatisch generiertes Modell. Wenn Sie nicht wissen, wie man mit 3D-Modellen umgeht, müssen Sie einen Maschinenbauer dafür anheuern. Beißen Sie in den sauren Apfel und eignen Sie sich eine Fähigkeit an, die Ihnen in den nächsten Jahren ganz sicher zugute kommen wird.

Leider ist das Modell in ihrer Hand das einzige, mit dem wir zu tun haben werden

3D-Modellierung für eine 3D-Zukunft

3D-Druck ist weit gekommen, seit wir mit unserem eigenen Drucker und Hochglanzpapier unsere eigenen hausgemachten Designs getestet haben. Es gibt Drucker auf dem Markt, die bereits testfähige 3D-Prototypen drucken können. Der nächste logische Schritt ist das Drucken vollständiger Designs. Soweit ist es zwar noch nicht und es wird auch noch einige Jahre dauern, aber wenn der Tag kommt, können Sie sich von 2D verabschieden. PCB-Designer werden das 3D-Modellieren meistern müssen, wenn Sie die 3D-Designmöglichkeiten der Zukunft voll ausschöpfen wollen. Wenn Sie nicht jetzt anfangen, übernehmen vielleicht Maschinenbauer bald das PCB-Design, weil sie die 3D-Design-Kenntnisse haben. Entgehen wir diesem Alptraum und setzen uns mit 3D-Modellierung auseinander.

Ob Sie sich nun auf eine Zukunft voller eingebetteter Systeme oder auf das 3D-Design vorbereiten: Es wird Zeit, mechanische Belange für Ihre PCBs ernstzunehmen. Das bedeutet, mehr mit Maschinenbauern zusammenzuarbeiten, damit Ihre Platinen auch allen auf sie einwirkenden Kräften widerstehen können. Ich empfehle, sich auch mit 3D-Modellierungsprogrammen zu beschäftigen. Dann können Sie selbst dafür sorgen, dass Ihre PCB in dieses seltsame kleine Gehäuse passt. Sie werden außerdem bereit dafür sein, den allumfassenden Aufstieg des 3D-Designs zu nutzen, wenn es soweit ist. Es wird Zeit, sich mit der Welt des Maschinenbaus anzufreunden oder sie zumindest kennenzulernen.

Um die Welt der Mechanik zu betreten, brauchen Sie eine gute Software, die Sie begleitet. CircuitStudio von Altium ist der perfekte Begleiter für Designer, die bereit für den Sprung in das Design eingebetteter Systeme sind. Mit einer breiten Palette an modernsten Funktionen entwerfen Sie in CircuitStudio PCBs, die geschaffen sind, dahin zu gehen, wo noch nie eine Leiterplatte gewesen ist.

Haben Sie noch Fragen dazu, wie man mit Maschinenbauingenieuren redet? Fragen Sie einen Experten bei Altium um Rat.