Wie man ECAD-MCAD Co-Design für das Gehäusedesign und das Layout von Leiterplatten verwendet

Leiterplatten machen Spaß beim Entwerfen und Layouten, aber eine PCB benötigt ein Gehäuse, um sie mechanisch stabil zu halten. PCB-Gehäuse können als Standardprodukte von der Stange gekauft werden, oder Sie erstellen ein kundenspezifisches Gehäusedesign mit MCAD-Software. Unabhängig davon, welchen Weg Sie zur Erstellung Ihres Gehäuses wählen, müssen Sie Ihr PCB-Layout in MCAD-Tools importieren, um sicherzustellen, dass Ihre Leiterplatte und die Komponenten nicht mit dem Gehäuse kollidieren.

Wenn Sie mit einem komplexen Layout, einem Multiboard-System oder einer flexiblen Leiterplatte arbeiten, benötigen Sie schnellen Zugriff auf MCAD-Software, um Kollisionen zwischen Ihrem PCB-Gehäusedesign, Ihren elektronischen Komponenten und Ihrer Leiterplatte zu prüfen. Altium enthält die MCAD-Tools, die Sie benötigen, um mechanische Kollisionen während des Entwurfs Ihrer Leiterplatte und Ihres kundenspezifischen Gehäuses zu überprüfen, und bietet zudem einen der leistungsstärksten Funktionsumfänge für das Leiterplattendesign. Designer können komplexe Boards für jede Anwendung zusammen mit ihren Gehäusen erstellen.

Wie man ein PCB-Gehäuse und ein Layout entwirft, um Kollisionen zu vermeiden

Wenn Sie ein Gehäuse um Ihr PCB-Layout entwerfen und Kollisionen zwischen Komponenten vermeiden müssen, stehen Ihnen mehrere Optionen zur Verfügung, um die Genauigkeit Ihres Designs sicherzustellen:

• Exportieren Sie Ihr PCB-Layout als STEP-Datei und importieren Sie es in eine MCAD-Anwendung für das Gehäusedesign
• Exportieren Sie Ihr Gehäuse als STEP-Datei und importieren Sie es in Ihre ECAD-Software

Altium unterstützt beide Prozesse im Rahmen des PCB-Layouts und Gehäusedesigns. Wenn Sie jedoch Kollisionen vermeiden möchten, können Sie eine STEP-Datei in Ihr PCB-Projekt importieren und manuell oder automatisch auf Interferenzen prüfen. Mit Designregeln kann die Bauteilplatzierung in 3D auf Kollisionen mit dem PCB-Gehäuse überprüft werden, um festzustellen, wann Bauteile auf der Leiterplatte verschoben werden müssen.

Abstands- und Kollisionsprüfung in 3D mit Altium

Leider benötigen PCB-Designer Maschinenbauingenieure oder MCAD-Software, um Änderungen an einem bestehenden Gehäuse vorzunehmen oder ein kundenspezifisches Gehäuse für eine Leiterplatte zu entwerfen. Diese Gehäusedesigns erfordern einen ECAD-MCAD-Co-Design-Ansatz zwischen den elektrischen und mechanischen Disziplinen.

Kundenspezifisches PCB-Gehäusedesign erfordert ECAD-MCAD-Zusammenarbeit

Für viele Produkte erfordert die gewünschte Benutzererfahrung eine gemeinsame Entwicklung zwischen mechanischen und elektrischen Designern. Das Zusammenspiel zwischen Maschinenbau und Elektrotechnik bietet zwei Ansätze zur Definition von Randbedingungen im Designraum.

• Mechanical-First-Ansatz: Das gewünschte Gehäuse wird zuerst festgelegt und dient als Hauptvorgabe für Leiterplattengröße, Bauteilgrößen und Platzierung.
• Electrical-First-Ansatz: Die PCB-Größe wird zuerst bestimmt, manchmal erst nach Abschluss des Layouts finalisiert. Anschließend entwickelt der Maschinenbauingenieur das Gehäuse rund um die Leiterplatte.

Der Electrical-First-Ansatz ist deutlich einfacher, da er dem Elektronikentwickler volle Freiheit bei Auswahl und Platzierung der Bauteile auf dem PCB-Layout gibt. Nach Abschluss übernimmt der Maschinenbauingenieur das fertige Designmodell und entwickelt das kundenspezifische Gehäuse darum herum. Dies entspricht im Wesentlichen einem Wasserfallmodell, ähnlich dem früheren „Over-the-Wall“-Engineering.

Solche Designs mögen einfach erscheinen, und das kundenspezifische Gehäuse ähnelt häufig einer Box, die die PCB-Komponenten mit minimalem Abstand zu den Gehäusewänden umschließt.

Wenn jedoch ein einzigartigeres funktionales und ästhetisches Produkterlebnis erforderlich ist, dominiert der Mechanical-First-Ansatz. Das bedeutet, dass Designteams einen Co-Design-Ansatz benötigen, bei dem die Randbedingungen zunächst in der MCAD-Software und nicht im PCB-Layout definiert werden.

MCAD-Co-Design für PCB-Gehäuse

Ein wichtiger Prozess bei der Entwicklung von PCB-Gehäusen ist das MCAD-Co-Design, bei dem mechanische und elektrische Designer iterativ zusammenarbeiten, um Leiterplatte und Gehäuse gemeinsam zu entwickeln. Dieser Prozess wird insbesondere bei komplexen PCB-Gehäusen eingesetzt, die komplexe Formen aufweisen oder mehrere PCBs in einer Baugruppe integrieren.

Für Maschinenbauingenieure bietet der MCAD-Co-Design-Ansatz viele Vorteile, insbesondere die Möglichkeit, Randbedingungen für den Elektronikentwickler festzulegen. Das Setzen von Randbedingungen im PCB-Layout bedeutet, mehrere Elemente zu definieren, die für die Montage und Passform im Gehäuse erforderlich sind, wie zum Beispiel:

• Gesamtgröße und Abmessungen der PCB
• Gesamtdicke der PCB
• Position von Sperrflächen (Keepouts), einschließlich höhenbasierter Sperrflächen
• Position von Befestigungsbohrungen, Aussparungen oder Schlitzen
• Platzierung spezifischer Komponenten, typischerweise Steckverbinder
• Planung und Modellierung von Kabel- und Leitungsführungen

Diese Elemente zuerst zu planen schränkt den Leiterplattendesigner ein, stellt jedoch sicher, dass das Design in das gewünschte Gehäuse passt. In der Regel wird nach der Platzierung ein 3D-Modell der PCB mit ihren Komponenten überprüft, um die Passform im Gehäuse zu kontrollieren.

Abstände und Kollisionen im Gehäuse können in 3D mit dem integrierten MCAD-Toolset von Altium überprüft werden.

Sind diese Randbedingungen definiert, kann sich der Maschinenbauingenieur auf die Entwicklung des Gehäuses und die Planung der Fertigung konzentrieren. Gleichzeitig kann der PCB-Designer ein Layout entwickeln, das innerhalb dieser Vorgaben bleibt. Regelmäßige Überprüfungen der Bauteilplatzierung sind notwendig, um sicherzustellen, dass mechanische Vorgaben nicht verletzt werden. Dies kann über einen standardisierten Push-Pull-Prozess über eine Cloud-Plattform wie Altium erfolgen.

Standard-PCB-Gehäuse von der Stange

Es gibt zahlreiche Standardgehäuse für PCBs mit unterschiedlichen Eigenschaften. Diese sind besonders nützlich für Prototyping oder schnelle Serienfertigung bei kleinen bis mittleren Stückzahlen. Sie ermöglichen eine schnelle Markteinführung und sind für viele Designs anpassbar. Solche Gehäuse enthalten häufig Montagepfosten, Durchgangsöffnungen, Gewindebohrungen für Befestigungselemente, Öffnungen für Kabel oder Steckverbinder sowie Belüftungsöffnungen zur Luftzirkulation. Einige Standardgehäuse verfügen zudem über eine hohe IP-Schutzart und ermöglichen in Kombination mit passenden Panel- oder Chassis-Steckverbindern hochzuverlässige Systeme für anspruchsvolle Umgebungen.

Ein Beispiel für ein PCB-Gehäuse von Polycase ist unten dargestellt. Diese Gehäuse eignen sich für viele Designs, einschließlich digitaler Systeme, Embedded-Systeme und kleiner Leistungselektronik.

Anbieter von Standardgehäusen stellen in der Regel ein 3D-Modell des Gehäuses zur Verfügung, das zur Definition von Randbedingungen für die PCB verwendet werden kann. Die Nutzung eines 3D-Modells des Gehäuses und der Export einer 2D-Kontur für die Leiterplatte folgt dem MCAD-First-Ansatz und erfordert ein MCAD-Softwarepaket. Auf Basis des 3D-Modells kann der MCAD-Designer eine PCB-Kontur erstellen, die in das Gehäuse passt und Montagepfosten oder Abstandshalter berücksichtigt. CAD-Anwender können zudem eine Leiterplattendicke im Gehäusemodell definieren und diese Information an den PCB-Designer weitergeben.

Während die Übergabe einer DXF-Datei häufig der Standard zur Definition der Leiterplattengeometrie ist, können MCAD-Anwender die Geometrie auch direkt in ECAD-Software wie Altium übertragen. Die direkte Übergabe an die PCB vermeidet Dateiaustausch und stellt sicher, dass stets die korrekten mechanischen Spezifikationen verwendet werden.

ECAD-MCAD-Zusammenarbeit mit Altium

Altium transformiert die ECAD-MCAD-Zusammenarbeit durch eine einheitliche Cloud-Plattform, die traditionelle Engpässe beim Dateiaustausch eliminiert. Die Plattform ermöglicht Echtzeitsynchronisation zwischen elektrischen und mechanischen Designteams mit nahtloser Freigabe von PCB-Layouts, Bauteilmodellen und Gehäusevorgaben.

Maschinenbauingenieure können Leiterplattengeometrien direkt in Altium übertragen. Elektroingenieure können aktualisierte Layouts ohne manuelle Dateiübertragung teilen. Die Integration von ECAD und MCAD unterstützt iteratives Co-Design und vereinfacht die Entwicklung komplexer Gehäuse.

Arbeiten mit komplexen 3D-PCB-Layouts in Altium

Wenn Sie mit einem komplexen Layout, einem Multiboard-System oder einer flexiblen PCB arbeiten, benötigen Sie schnellen Zugriff auf MCAD-Tools, um Kollisionen zwischen PCB-Gehäuse, elektronischen Komponenten und Leiterplatte zu prüfen. Altium bietet die erforderlichen ECAD- und MCAD-Tools zur Überprüfung mechanischer Interferenzen während des Entwurfs und verfügt über einen der leistungsstärksten Funktionsumfänge für das Leiterplattendesign. Designer können komplexe Boards für jede Anwendung zusammen mit ihren Gehäusen erstellen.

Altium ist die einzige PCB-Designplattform, die einen vollständigen Satz an ECAD- und MCAD-Funktionen für jede Elektronikanwendung bietet. Ob einfache PCBs oder komplexe Multiboard-Systeme – Altium stellt die elektrischen und mechanischen Designfunktionen bereit, die Sie zur Entwicklung modernster Technologien benötigen.

Altium bringt ein bislang unerreichtes Maß an Integration in die Elektronikbranche – vergleichbar mit modernen Softwareentwicklungsprozessen – und ermöglicht Designern eine sichere Zusammenarbeit mit höchster Effizienz.

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