Stampa 3D di PCB e Generazione di Modelli di Stampa

Altium Concord Pro™ come prodotto autonomo e nome del marchio è stato interrotto e le sue funzionalità sono ora disponibili come parte delle nostre soluzioni enterprise di Altium. Scopri di più qui.

Ho apprezzato molto lavorare con Altium Concord Pro® ospitato sulla nuvola Altium 365® di recente. Una delle migliori caratteristiche di Altium 365 è il supporto per la collaborazione meccanica con SolidWorks, PTC Creo e Autodesk Inventor. Grazie alle funzionalità di hosting di progetti tramite Altium 365, è facile aprire un progetto condiviso in Altium Designer e importarlo in una di queste popolari applicazioni MCAD.

Altium Designer è stato il primo software nell'industria ECAD a prendere sul serio il 3D. La maggior parte dei software ECAD ha sempre integrato una qualche forma di esportazione in 3D, ma dal mio punto di vista personale, le funzionalità erano spesso tentativi poco convinti, destinati al massimo a verificare se la scheda si adattasse al contenitore. Altium Designer offre un ambiente completamente integrato dove 2D e 3D vanno di pari passo, e puoi eseguire funzioni di layout in 2D nella vista MCAD 3D in Altium Designer. L'approccio "prima il 3D" è sempre stato uno dei punti di forza della piattaforma ed è uno dei tanti motivi per cui ho sempre finito per scegliere Altium Designer come il mio software ECAD di riferimento.

La funzionalità è stata un vero e proprio salvavita in molteplici occasioni quando lavoravo nell'industria degli inverter di potenza. Gli inverter di potenza hanno grossi condensatori elettrolitici, bobine PFC che dissipano quantità considerevoli di potenza, e moduli di potenza i cui pin permettono a malapena di soddisfare i requisiti di isolamento. Tutti questi componenti spesso devono essere inseriti in prossimità di condensatori delle dimensioni di una lattina di Coca-Cola.

L'estensione MCAD Altium CoDesigner è inclusa in ogni account Concord Pro su Altium 365 e consente un'integrazione e collaborazione senza soluzione di continuità tra l'ingegneria meccanica ed elettronica. Il processo di progettazione dell'elettronica di potenza è intrinsecamente tridimensionale; la fisica non si preoccupa del nostro amore per adattare l'universo su fogli piatti di carta. I complessi modelli di trasferimento di calore e carica degli apparecchi di potenza devono essere modellati, analizzati e compresi in 3D per consentire un tempo di immissione sul mercato competitivo e un fattore di forma compatto. Altium Designer mi permette di fare ciò in ogni secondo del processo di progettazione.

Che dire della stampa 3D delle PCB?

Tuttavia, c'è un pezzo del puzzle che non si adatta. Mi piacerebbe avere prototipi fisici 3D delle mie schede nello stesso momento in cui i prototipi meccanici degli involucri vengono stampati nella mia stampante 3D. Se vuoi stampare in 3D le PCB o gli involucri per le tue PCB, devi generare istruzioni di stampa per il tuo progetto, sia con un'applicazione MCAD standard che con un generatore di file mesh.

Molti hanno tentato di convertire gli output STEP 3D di Altium Designer in formati standard per l'industria della stampa 3D, come STL o OBJ, con risultati variabili. I file risultanti sono spesso molto pesanti e inclini a errori quando importati nel software di stampa 3D. Alcune aziende di stampanti 3D hanno software che può convertire il tuo progetto in uno di questi formati o in un formato proprietario, ma questi output sono progettati per stampanti 3D specifiche piuttosto che essere output universali.

Alcuni componenti spesso scompaiono del tutto, e posso testimoniare che sembra accadere più frequentemente con i connettori, forse il componente più critico nell'integrazione meccanica. Il problema persiste anche passando attraverso CAD 3D come Solidworks o PTC Creo. In questo articolo, puoi scoprire perché accade e come affrontarlo. Attenzione: non è colpa di Altium.

Che cos'è un File Mesh?

Un file mesh, o più precisamente un file di mesh poligonale, contiene vertici, spigoli e facce che insieme definiscono la forma di un oggetto 3D. L'obiettivo nella creazione di un file mesh è ricostruire l'oggetto 3D con questi poligoni in modo da approssimare la vera forma come una combinazione di poligoni.

In termini matematici, l'oggetto risultante è un poliedro molto strano, composto nella maggior parte dei casi da un enorme numero di triangoli con vertici sovrapposti. I triangoli sono utilizzati più comunemente per rappresentare strutture 3D complesse perché possono approssimare molto bene le curve, mentre i cubi o i parallelepipedi lasciano bordi dentellati lungo una superficie curva.

Formati dei file di mesh

I formati di file di mesh più comuni utilizzati nella stampa 3D sono STL, OBJ, AMF e 3MF.

• STL è lo standard de facto per le moderne stampanti 3D accessibili. Supporta solo le informazioni geometriche più basilari, ma non può codificare il colore o metadati aggiuntivi. Il formato risale alla prima stampante 3D commerciale nel 1987, la SLA-1. L'industria si è da tempo stabilita su STL come standard, ma il formato è incline a errori, e i file risultanti possono essere pesanti e lenti da leggere.
• OBJ è un'alternativa più moderna che permette di memorizzare i dati di colore e supporta superfici più avanzate rispetto alle maglie triangolari di STL ed è usato principalmente con stampanti 3D a colori.
• AMF è stato introdotto come formato di file standard ASTM per la stampa 3D nel 2011 ed era inteso come un'alternativa al formato standard STL.
• 3MF ha superato AMF negli ultimi anni, essendo open source e supportato da numerosi produttori di stampanti 3D e case software.

Altium Designer può esportare dati di schede 3D nei formati di file STEP 3D, Parasolid o VRML, nessuno dei quali è un formato di file mesh e non può essere utilizzato per generare istruzioni di stampa 3D per PCB. Utilizzeremo la funzionalità di esportazione STEP in Altium Designer come nostro punto di partenza poiché i file STEP sono lo standard industriale per lo scambio di dati 3D. Il nostro formato di destinazione sarà STL per questa dimostrazione. Essendo il formato più vecchio e semplice disponibile, è facile da convertire in qualsiasi altro formato ed è supportato praticamente da tutte le stampanti 3D.

Requisiti dei file mesh per la stampa 3D di PCB

Un'applicazione slicer è il software incaricato di tradurre modelli 3D in oggetti del mondo reale. Come suggerisce il nome, funziona sezionando l'oggetto in una serie di strati orizzontali.

Sezionamento Orizzontale di una Forma Piramidale

Ci sono molte stampanti 3D sul mercato e diverse stampanti possono utilizzare diversi processi di stampa. Il processo più diffuso è il modeling a deposizione fusa (FDM), che è lo stesso processo utilizzato con le comuni stampanti per filamento plastico. Le stampanti FDM operano estrudendo e depositando un filamento plastico riscaldato secondo un modello orizzontale, e la struttura 3D viene costruita depositando strati successivi.

I slicer FDM creano una serie di percorsi per l'estrusore da seguire. Ogni strato tipicamente consiste di due o più anelli esterni che definiscono la forma dell'oggetto. Una struttura di riempimento interna è utilizzata per garantire rigidità meccanica e supportare gli strati successivi.

Il primo e l'ultimo strato, rispettivamente sul fondo e sulla cima dell'oggetto risultante, sono normalmente riempiti completamente. Gli strati intermedi sono solitamente riempiti solo parzialmente per ridurre i tempi di stampa, i costi dei materiali, e il peso del prodotto finito.

Affinché il slicer possa fare il suo lavoro, il modello deve essere un manifold matematico. Nel limitato scenario delle maglie 3D, ciò significa che tutti i bordi devono collegarsi a due e solo due facce. Molti modelli 3D possono presentare caratteristiche che esulano da questo requisito.

• Corpi aperti o, per esempio, un cubo con una faccia rimossa.
• Piani
• Superfici o corpi connessi da un singolo vertice o corpi connessi da un solo bordo
• Facce interne
• Normali opposte; le facce hanno una direzione, e tutte devono essere orientate verso l'esterno affinché il modello possa essere stampato in 3D

Generazione di Modelli all'Avanguardia per la Stampa 3D di PCB

Prima dell'introduzione della tecnica qui spiegata, avresti avuto bisogno che ogni componente fosse fatto solo di corpi 3D perfetti e file STEP altamente accurati se vuoi stampare in 3D i tuoi progetti. Ogni componente avrebbe dovuto essere leggermente sollevato dalla scheda o posizionato perfettamente, in nessun caso intersecante con il corpo della scheda. I pin avrebbero dovuto adattarsi in ogni foro passante.

Molti modelli 3D, specialmente quelli forniti dai produttori, non soddisfano questi requisiti. Ecco alcuni esempi di problemi che ho incontrato negli ultimi mesi:

• Un condensatore elettrolitico con perni di plastica che possono facilmente intersecarsi con la scheda
• Una resistenza a chip SMD il cui corpo principale in ceramica è disegnato come solido, ma con i contatti metallici disegnati come facce aperte
• Connettori dove i pin intersecano il corpo principale
• Connettori dove i contatti metallici piegati sono rappresentati come facce
• Pacchetti DIP disegnati con i pin inclinati

Altium Designer supporta completamente ogni oggetto comune all'interno dei file STEP 3D e accetta felicemente qualsiasi modello 3D che gli viene fornito senza lamentarsi. Il software di stampa 3D, invece, può lavorare solo con corpi chiusi perfettamente formati.

Cosa Accade con i Comuni Convertitori da STEP a STL

In questo esempio, ho preso il mio progetto dimostrativo di riferimento. Questo display analogico è stato prototipato come parte del portfolio della Piattaforma di Ottica a Microonde della mia azienda ed esportato come file STEP. Ho provato a convertire il file attraverso alcuni popolari convertitori da STEP a STL. Tutti questi convertitori hanno gestito senza problemi i componenti meccanici, ma quando si tratta di un file STEP esportato per un PCB, i risultati sono misti.

• Makexyz.com: La conversione è completata senza errori, ma il file risultante è solo di 84 byte e non contiene dati.
• Siemens NX: Ho chiesto a un collega di utilizzare Siemens NX, che viene usato per gestire gli assemblaggi di navi portacontainer. Ha riferito che Siemens NX ha importato correttamente il file STEP ma genererebbe un file STL solo per un componente alla volta e non per l'intera scheda. Per esportare la scheda come un unico corpo, è necessaria un'operazione di cucitura, ma il processo è parzialmente manuale e richiede troppo tempo per una scheda elettronica con centinaia di componenti.
• Craftcloud: Craftcloud segnala un errore di "Caricamento Fallito".

Conversione dei File di Altium Designer in STL

Per convertire con successo i tuoi file PCB in formato STL, dobbiamo andare oltre rispetto al normale software di meshing. Mi sono chiesto, quale è il software più esigente che utilizza dati mesh? Quel tipo di software dove nulla funziona se la mesh non è perfetta? Che si arrabbia se trova una faccia invertita e si blocca così tanto da rendere il tuo computer inutilizzabile per 15 minuti? FEM. Simulazione del Metodo degli Elementi Finiti.Se utilizzi qualcosa come Ansys, potresti già essere familiare con il software FEM per simulazioni strutturali, termiche, fluidodinamiche o elettromagnetiche.

Il risolutore di campo utilizzato nel software di simulazione FEM richiede mesh perfette. Da qualche parte, in ogni suite FEM, ci sono algoritmi di meshing che lasciano il semplice software di meshing a bocca aperta, forse nascosti sotto un menu di import/export.

Sfortunatamente, le suite software FEM possono essere enormemente costose, spesso molte volte il costo di una licenza di Altium Designer. Fortunatamente, un software open-source chiamato Gmsh è venuto in mio soccorso. Il software può essere scaricato [qui] ed è concesso in licenza sotto la GNU General Public License, il che significa che è libero di essere utilizzato sia per progetti personali che commerciali.

Utilizzo dell'interfaccia grafica

Per convertire un file STEP in un file STL utilizzando l'interfaccia grafica, puoi seguire questo processo:

• Apri il file (file, apri). Questo può richiedere fino a 10 minuti
• Esegui il meshing volumetrico. (Moduli, Mesh, 3D)
• Salva in formato STL (File, Esporta)

Il processo di meshing può richiedere molto tempo, anche mezz'ora per schede con molti componenti.

Lo stato della conversione viene riportato sulla barra inferiore.

Utilizzo da riga di comando

Similmente all'operazione tramite interfaccia grafica, possiamo usare la riga di comando per eseguire la conversione, aprendo il prompt dei comandi nella directory corretta ed emettendo il seguente comando:

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

Il file STEP di input dovrebbe essere posizionato nella stessa directory di ghsm.exe affinché questo comando funzioni.

Stampa 3D delle tue PCB

Sono il fiero proprietario di una Prusa MK3, una delle stampanti 3D più popolari sul mercato. Se vedi una stampante arancione che sembra qualcosa come un giocattolo per maker, è una Prusa. Ma sarebbe meglio se non ti lasciassi ingannare dalle prime impressioni; questa stampante è uno strumento capace e ben progettato, molto più di molti dei suoi omologhi dall'aspetto più industriale.

La stampante ha un design hardware completamente aperto e software open-source. Il slicer, chiamato PrusaSlicer, è tra i migliori sul mercato. Ho importato i file STL che abbiamo appena generato in PrusaSlicer. Sono un po' pesanti, ma il software li gestisce con grazia. Gli STL vengono sliciati con successo con solo alcuni avvisi, per lo più riguardanti l'impossibilità della stampante di creare dettagli più piccoli della dimensione dell'ugello.

Conclusioni

Quando si lavora con la funzionalità MCAD CoDesigner in Concord Pro su Altium 365, è possibile prendere il layout del PCB e creare file mesh per la stampa 3D dei PCB prima di una serie di prototipi. Utilizzando il software gratuito mostrato sopra, potreste convertire i modelli STEP del vostro layout PCB di Altium in formati standard per la stampa 3D come STL. Questo fornisce un controllo dimensionale rapido ed efficace quando la vostra scheda (inclusi i componenti) viene stampata in 3D come modello in plastica.

Le stampanti 3D più avanzate, come quelle di Nano Dimension e Optomec, possono essere utilizzate per stampare una scheda elettronica completamente funzionante dai file STL. Se scegliete questa strada, dovrete esportare solo la scheda nuda come modello STEP e convertirla in un file mesh STL per generare le istruzioni di stampa. Che abbiate o meno una stampante 3D, potete consultare la pagina del prodotto Altium Concord Pro per sfruttare l'integrazione tra Altium 365 e popolari applicazioni MCAD come SolidWorks, PTC Creo e Autodesk Inventor.

Volete scoprire di più su come Altium può aiutarvi con il vostro prossimo design di PCB? Parlate con un esperto di Altium.