Impresión 3D de PCBs y Generación de Modelos de Impresión

Altium Concord Pro™ como producto y marca independiente ha sido descontinuado y las capacidades ahora están disponibles como parte de nuestras soluciones empresariales de Altium. Aprende más aquí.

He estado disfrutando trabajar con Altium Concord Pro® alojado en la nube Altium 365® recientemente. Una de las mejores características de Altium 365 es el soporte para la colaboración mecánica con SolidWorks, PTC Creo y Autodesk Inventor. Gracias a las características de alojamiento de proyectos a través de Altium 365, es fácil abrir un proyecto compartido en Altium Designer e importarlo en una de estas populares aplicaciones MCAD.

Altium Designer® fue el primer software en la industria de ECAD en tomar en serio el 3D. La mayoría de los softwares de ECAD siempre han integrado algún tipo de exportación en 3D, pero en mi opinión personal, las características a menudo eran intentos a medias destinados, como mucho, a verificar si la placa encajaba en la carcasa. Altium Designer ofrece un entorno totalmente integrado donde el 2D y el 3D van de la mano, y puedes realizar funciones de diseño en 2D en la vista MCAD 3D en Altium Designer. El enfoque primero en 3D siempre ha sido uno de los puntos fuertes de la plataforma y es una de las muchas razones por las que siempre terminé eligiendo Altium Designer como mi software ECAD de preferencia.

La característica ha sido un salvavidas absoluto en múltiples ocasiones cuando trabajaba en la industria de inversores de potencia. Los inversores de potencia tienen capacitores electrolíticos voluminosos, bobinas PFC que disipan cantidades considerables de potencia, y módulos de potencia cuyos pines apenas te permiten cumplir con los requisitos de aislamiento. Todos estos componentes a menudo necesitan ser colocados en proximidad cercana a capacitores del tamaño de una lata de Coca-Cola.

La extensión MCAD Altium CoDesigner viene incluida con cada cuenta de Concord Pro en Altium 365, y permite una integración y colaboración sin fisuras entre la ingeniería mecánica y electrónica. El proceso de diseñar electrónica de potencia es intrínsecamente tridimensional; a la física no le importa nuestro amor por adaptar el universo a hojas planas de papel. Los sofisticados patrones de transferencia de calor y carga de los aparatos de potencia necesitan ser modelados, analizados y comprendidos en 3D para permitir un tiempo de comercialización competitivo y un factor de forma compacto. Altium Designer me permite hacer eso durante cada segundo del proceso de diseño.

¿Qué pasa con la impresión 3D de PCBs?

Aun así, hay una pieza del rompecabezas que no encaja. Me encantaría tener prototipos físicos en 3D de mis placas al mismo tiempo que los prototipos mecánicos de las carcasas se están imprimiendo en mi impresora 3D. Si quieres imprimir en 3D PCBs o carcasas para tus PCBs, necesitas generar instrucciones de impresión para tu diseño, ya sea con una aplicación estándar de MCAD o un generador de archivos de malla.

Muchos han intentado convertir las salidas STEP 3D de Altium Designer a formatos estándar para la industria de impresión 3D, como STL u OBJ, con resultados variados. Los archivos resultantes suelen ser muy pesados y propensos a errores cuando se importan al software de impresión 3D. Algunas compañías de impresoras 3D tienen software que puede convertir su diseño a uno de estos formatos o a un formato propietario, pero estos resultados están diseñados para impresoras 3D específicas en lugar de ser salidas universales.

Algunos componentes a menudo desaparecen por completo, y puedo testificar que parece suceder más a menudo con los conectores, quizás el componente más crítico en la integración mecánica. El problema persiste al pasar por CAD 3D como Solidworks o PTC Creo. En este artículo, puedes descubrir por qué sucede esto y cómo abordarlo. Alerta de spoiler: no es culpa de Altium.

¿Qué es un Archivo de Malla?

Un archivo de malla, o más precisamente un archivo de malla poligonal, contiene vértices, aristas y caras que juntos definen la forma de un objeto 3D. El objetivo al crear un archivo de malla es reconstruir el objeto 3D con estos polígonos para que aproximemos la forma verdadera como una combinación de polígonos.

En términos matemáticos, el objeto resultante es un poliedro muy extraño, compuesto comúnmente por un enorme número de triángulos con vértices superpuestos. Los triángulos se utilizan comúnmente para representar estructuras 3D complejas porque pueden aproximar muy bien las curvas, mientras que los cubos o paralelepípedos dejan bordes dentados a lo largo de una superficie curva.

Formatos de Archivo de Malla

Los formatos de archivo de malla más comunes utilizados en la impresión 3D son STL, OBJ, AMF y 3MF.

• STL es el estándar de facto para las impresoras 3D modernas y asequibles. Solo admite la información geométrica más básica, pero no puede codificar color ni metadatos adicionales. El formato se remonta a la primera impresora 3D comercial en 1987, la SLA-1. La industria se ha asentado en STL como un estándar, pero el formato es propenso a errores, y los archivos resultantes pueden ser pesados y lentos de leer.
• OBJ es una alternativa más moderna que permite almacenar datos de color, y admite superficies más avanzadas que las mallas triangulares de STL y se utiliza mayormente con impresoras 3D de color.
• AMF fue introducido como el formato de archivo estándar ASTM para la impresión 3D en 2011 y estaba destinado a ser una alternativa al formato estándar STL
• .3MF ha superado a AMF en los últimos años, siendo de código abierto y respaldado por numerosos fabricantes de impresoras 3D y casas de software.

Altium Designer puede exportar datos de tarjetas 3D en formatos de archivo STEP 3D, Parasolid o VRML, ninguno de los cuales son formatos de archivo de malla y no se pueden utilizar para generar instrucciones de impresión 3D para PCBs. Utilizaremos la función de exportación STEP en Altium Designer como nuestro punto de partida, ya que los archivos STEP son el estándar de la industria para el intercambio de datos 3D. Nuestro formato objetivo será STL para esta demostración. Siendo el formato más antiguo y simple disponible, es fácil de convertir a cualquier otro formato y es compatible con prácticamente todas las impresoras 3D.

Requisitos de Archivos de Malla para la Impresión 3D de PCBs

Una aplicación de slicer es el software encargado de traducir modelos 3D en objetos del mundo real. Como sugiere el nombre, funciona cortando el objeto en una serie de capas horizontales.

Corte Horizontal de una Forma de Pirámide

Hay muchos impresoras 3D en el mercado, y diferentes impresoras pueden utilizar diferentes procesos de impresión. El proceso más extendido es el modelado por deposición fundida (FDM, por sus siglas en inglés), que es el mismo proceso utilizado con las impresoras de filamento plástico comunes. Las impresoras FDM operan extruyendo y depositando un filamento plástico calentado en un patrón horizontal, y la estructura 3D se construye depositando en capas sucesivas.

Los slicers FDM crean una serie de caminos para que el extrusor siga. Cada capa típicamente consiste en dos o más bucles exteriores que definen la forma del objeto. Una estructura de relleno interna se utiliza para asegurar rigidez mecánica y soportar las siguientes capas.

La primera y última capa, respectivamente en la parte inferior y superior del objeto resultante, normalmente se rellenan por completo. Las capas intermedias usualmente solo se rellenan parcialmente para reducir el tiempo de impresión, costo del material, y peso del producto terminado.

Para que el slicer haga su trabajo, el modelo debe ser un manifold matemático. En el escenario limitado de mallas 3D, esto significa que todos los bordes deben conectar con dos y solo dos caras. Muchos modelos 3D pueden presentar características que caen fuera de este requisito.

• Cuerpos abiertos o, por ejemplo, un cubo con una cara eliminada.
• Planos
• Superficies o cuerpos conectados por un único vértice o cuerpos conectados por un único borde
• Caras internas
• Normales opuestas; las caras tienen una dirección, y todas deben mirar hacia afuera para que el modelo sea imprimible en 3D

Generación de Modelos de Última Generación para la Impresión 3D de PCBs

Antes de la introducción de la técnica explicada aquí, necesitarías que cada componente estuviera hecho solo de cuerpos 3D perfectos y archivos STEP altamente precisos si quieres imprimir tus diseños en 3D. Cada componente necesitaría ser ligeramente levantado del tablero o posicionado perfectamente, bajo ninguna circunstancia intersectando con el cuerpo del tablero. Los pines necesitarían encajar dentro de cada agujero pasante.

Muchos modelos 3D, especialmente aquellos suministrados por los fabricantes, no cumplen con estos requisitos. Aquí hay algunos ejemplos de problemas que encontré en los últimos meses:

• Un capacitor electrolítico con tocones de plástico que pueden intersectar fácilmente con el tablero
• Una resistencia chip SMD cuyo cuerpo principal de cerámica está dibujado como sólido, pero con los contactos metálicos dibujados como caras abiertas
• Conectores donde los pines intersectan el cuerpo principal
• Conectores donde los contactos metálicos doblados están representados como caras
• Paquetes DIP dibujados con los pines en ángulo

Altium Designer ofrece soporte completo para cada objeto común dentro de archivos 3D STEP y acepta felizmente cualquier modelo 3D que le lancemos sin quejarse. Por otro lado, el software de impresión 3D solo puede trabajar con cuerpos cerrados perfectamente formados.

Qué sucede con los convertidores comunes de STEP a STL

En este ejemplo, he tomado mi diseño de demostración predilecto. Este display analógico fue prototipado como parte del portafolio de la Plataforma de Óptica de Microondas de mi empresa y exportado como un archivo STEP. He intentado convertir el archivo a través de algunos convertidores populares de STEP a STL. Todos estos convertidores manejaron los componentes mecánicos sin problemas, pero cuando se enfrentaron con un archivo STEP exportado para un PCB, los resultados fueron mixtos.

• Makexyz.com: La conversión se completó sin errores, pero el archivo resultante solo tiene 84 bytes de tamaño y no contiene datos.
• Siemens NX: Le pedí a un colega que usara Siemens NX, que se utiliza para manejar ensamblajes de buques contenedores. Él informó que Siemens NX importó el archivo STEP correctamente pero generaría un archivo STL solo para un componente a la vez y no para toda la placa. Para exportar la placa como un cuerpo único, se necesita una operación de costura, pero el proceso es parcialmente manual y requiere demasiado tiempo para una placa electrónica con cientos de componentes.
• Craftcloud: Craftcloud informa un error de "Carga Fallida".

Convirtiendo Archivos de Altium Designer a STL

Para convertir exitosamente tus archivos PCB a formato STL, debemos ir un paso más allá que el software de mallado estándar. Me pregunté, ¿cuál es el software más exigente que utiliza datos de malla? ¿El tipo de software donde nada funciona si la malla no es perfecta? ¿Ese que hará un berrinche si le das una cara volteada y se bloqueará tan fuerte que tu computadora se volverá inutilizable por 15 minutos? FEM. Simulación por Método de Elementos Finitos.Si usas algo como Ansys, quizás ya estés familiarizado con el software FEM para simulación estructural, térmica, fluidodinámica o electromagnética.

El solucionador de campo utilizado en el software de simulación FEM requiere mallas perfectas. En algún lugar de cada suite de FEM, hay algoritmos de mallado que dejan al software de mallado simple en la sombra, quizás ocultos bajo un menú de importación/exportación.

Lamentablemente, las suites de software FEM pueden ser enormemente caras, a menudo muchas veces el costo de una licencia de Altium Designer. Afortunadamente, un software de código abierto llamado Gmsh vino a mi rescate. El software se puede descargar [aquí] y está licenciado bajo la Licencia Pública General de GNU, lo que significa que es gratuito para usar tanto en proyectos personales como comerciales.

Uso de la Interfaz Gráfica de Usuario

Para convertir un archivo STEP a STL usando la interfaz gráfica de usuario, puedes seguir este proceso:

• Abrir el archivo (archivo, abrir). Esto puede tardar hasta 10 minutos
• Ejecutar el mallado volumétrico. (Módulos, Malla, 3D)
• Guardar como STL (Archivo, Exportar)

El proceso de mallado puede llevar mucho tiempo, incluso media hora para placas con muchos componentes.

El estado de la conversión se informa en la barra inferior.

Uso de la Línea de Comandos

De manera similar a la operación GUI, podemos usar la línea de comandos para realizar la conversión, abriendo el símbolo del sistema en el directorio correcto e introduciendo el siguiente comando:

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

El archivo de entrada STEP debe colocarse en el mismo directorio que ghsm.exe para que este comando funcione.

Impresión 3D de tus PCBs

Soy el orgulloso propietario de una Prusa MK3, una de las impresoras 3D más populares del mercado. Si ves una impresora naranja que parece algo así como un juguete para creadores, es una Prusa. Pero sería mejor que no te dejaras engañar por las primeras impresiones; esta impresora es una herramienta capaz y bien diseñada, mucho más que muchos de sus contrapartes de aspecto más industrial.

La impresora tiene un diseño de hardware completamente abierto y software de código abierto. El slicer, llamado PrusaSlicer, está entre los mejores del mercado. He importado los archivos STL que acabamos de generar en PrusaSlicer. Son un poco pesados, pero el software los maneja con gracia. Los STL se cortan con éxito con solo unas pocas advertencias, principalmente sobre la incapacidad de la impresora para crear características más pequeñas que el tamaño de la boquilla.

Conclusiones

Al trabajar con la función MCAD CoDesigner en Concord Pro en Altium 365, es posible tomar el diseño de su PCB y crear archivos de malla para la impresión 3D de PCBs antes de una corrida de prototipos. Utilizando el software gratuito mostrado arriba, podría convertir modelos STEP de su diseño de PCB en Altium a formatos estándar de la industria para impresión 3D como STL. Esto proporciona una verificación dimensional rápida y efectiva cuando su placa (incluidos los componentes) se imprime en 3D como un modelo de plástico.

Las impresoras 3D más avanzadas, como las de Nano Dimension y Optomec, pueden usarse para imprimir una placa de circuito completamente funcional a partir de archivos STL. Si toma este camino, necesitará exportar solo la placa desnuda como un modelo STEP y convertirlo a un archivo de malla STL para generar las instrucciones de impresión. Ya tenga o no una impresora 3D, puede consultar la página de producto de Altium Concord Pro para aprovechar la integración entre Altium 365 y aplicaciones MCAD populares como SolidWorks, PTC Creo y Autodesk Inventor.

¿Le gustaría saber más sobre cómo Altium puede ayudarlo con su próximo diseño de PCB? Hable con un experto en Altium.