3D 프린팅 PCB 및 프린팅 모델 생성

Altium Concord Pro™가 독립 제품 및 브랜드 명으로는 더 이상 제공되지 않으며, 그 기능은 이제 Altium 엔터프라이즈 솔루션의 일부로 제공됩니다. 자세한 내용은 여기에서 확인하세요.

최근 Altium Concord Pro®를 Altium 365® 클라우드에서 호스팅하며 작업하는 것이 매우 즐겁습니다. Altium 365의 최고 기능 중 하나는 SolidWorks, PTC Creo 및 Autodesk Inventor와 같은 인기 있는 MCAD 애플리케이션과의 기계적 협업을 지원하는 것입니다. Altium 365를 통한 프로젝트 호스팅 기능 덕분에, 공유된 프로젝트를 Altium Designer에서 쉽게 열고 이러한 인기 있는 MCAD 애플리케이션 중 하나로 가져올 수 있습니다.

Altium Designer®는 ECAD 업계에서 진지하게 3D를 받아들인 최초의 소프트웨어였습니다. 대부분의 ECAD 소프트웨어는 어느 정도 3D 내보내기 기능을 통합했지만, 개인적인 견해로는 기능들이 종종 보드가 인클로저에 맞는지 확인하기 위한 반쪽짜리 시도에 불과했습니다. Altium Designer는 2D와 3D가 손바닥처럼 맞물려 있는 완전히 통합된 환경을 제공하며, Altium Designer의 3D MCAD 뷰에서 2D 레이아웃 기능을 수행할 수 있습니다. 3D 우선 접근 방식은 항상 이 플랫폼의 강점 중 하나였으며, 저로 하여금 항상 Altium Designer를 선호하는 ECAD 소프트웨어로 선택하게 만든 많은 이유 중 하나입니다.

이 기능은 전력 인버터 산업에서 일할 때 여러 번 절대적인 생명의 은인이 되었습니다. 전력 인버터에는 부피가 큰 전해 커패시터, 상당한 양의 전력을 발산하는 PFC 코일, 격리 요구 사항을 겨우 충족시키는 핀을 가진 전력 모듈이 있습니다. 이러한 모든 구성 요소는 종종 콜라 캔 크기의 커패시터와 가까운 거리에 배치해야 합니다.

MCAD Altium CoDesigner 확장 프로그램은 모든 Concord Pro on Altium 365 계정과 함께 제공되며, 기계 공학과 전자 공학 간의 원활한 통합과 협업을 가능하게 합니다. 전력 전자를 설계하는 과정은 본질적으로 3차원적입니다; 물리학은 우리가 우주를 평평한 종이 위에 맞추고 싶어하는 것을 신경 쓰지 않습니다. 전력 기기의 복잡한 열과 전하 전달 패턴은 경쟁력 있는 출시 시간과 컴팩트한 형태 요소를 가능하게 하기 위해 3D로 모델링되고 분석되며 이해되어야 합니다. Altium Designer는 설계 과정의 모든 순간 동안 그것을 할 수 있게 해줍니다.

3D 프린팅 PCB에 대해서는 어떻게 생각하나요?

그러나 여전히 맞지 않는 퍼즐 조각이 있습니다. 기계 프로토타입의 케이스가 제 3D 프린터에서 인쇄되는 동시에 내 보드의 물리적인 3D 프로토타입을 가질 수 있다면 좋겠습니다. PCB나 PCB용 케이스를 3D 프린트하려면, 표준 MCAD 애플리케이션 또는 메시 파일 생성기를 사용하여 디자인에 대한 인쇄 지침을 생성해야 합니다.

많은 사람들이 Altium Designer의 STEP 3D 출력을 STL이나 OBJ와 같은 3D 프린팅 산업의 표준 형식으로 변환하려고 시도했지만, 결과는 혼합적이었습니다. 결과 파일은 종종 매우 무겁고 3D 프린팅 소프트웨어로 가져올 때 오류가 발생하기 쉽습니다. 일부 3D 프린터 회사는 이러한 형식 또는 독점 형식으로 디자인을 변환할 수 있는 소프트웨어를 가지고 있지만, 이러한 출력물은 특정 3D 프린터를 위해 설계되었지 범용 출력물이 아닙니다.

일부 구성 요소는 종종 완전히 사라지는데, 이는 기계적 통합에서 가장 중요한 구성 요소인 커넥터와 관련하여 더 자주 발생하는 것 같습니다. Solidworks나 PTC Creo와 같은 3D CAD를 통해 진행할 때도 문제가 지속됩니다. 이 글에서는 왜 이런 일이 발생하는지, 그리고 어떻게 해결할 수 있는지 알아볼 수 있습니다. 스포일러 경고: Altium의 잘못이 아닙니다.

메시 파일이란 무엇인가요?

메시 파일, 또는 좀 더 정확히 다각형 메시 파일은 3D 객체의 형태를 정의하는 꼭짓점, 모서리 및 면을 포함합니다. 메시 파일을 생성하는 목표는 이러한 다각형으로 3D 객체를 재구성하여 다각형의 조합으로 진정한 형태를 근사하는 것입니다.

수학적 용어로, 결과적인 객체는 매우 이상한 다면체로, 대부분 엄청난 수의 겹치는 꼭짓점을 가진 삼각형으로 구성됩니다. 복잡한 3D 구조를 표현하기 위해 삼각형이 가장 일반적으로 사용되는 이유는 삼각형이 곡선을 아주 잘 근사할 수 있기 때문이며, 반면에 큐브나 평행육면체는 곡선 표면을 따라 톱니 모양의 가장자리를 남깁니다.

메시 파일 형식

3D 프린팅에서 가장 일반적으로 사용되는 메시 파일 형식은 STL, OBJ, AMF 및 3MF입니다.

• STL은 현대의 저렴한 3D 프린터를 위한 사실상의 표준입니다. 기본적인 기하학 정보만을 지원하지만, 색상이나 추가 메타데이터를 인코딩할 수는 없습니다. 이 형식은 1987년 첫 상업용 3D 프린터인 SLA-1로 거슬러 올라갑니다. 업계는 오래전에 STL을 표준으로 정착시켰지만, 이 형식은 오류가 발생하기 쉽고 결과 파일이 무겁고 읽기가 느릴 수 있습니다.
• OBJ는 색상 데이터를 저장할 수 있게 하며, STL의 삼각형 메시보다 더 발전된 표면을 지원하는 더 현대적인 대안이며 주로 색상 3D 프린터와 함께 사용됩니다.
• AMF는 2011년 3D 프린팅을 위한 ASTM 표준 파일 형식으로 도입되었으며 STL 표준 형식에 대한 대안이 되기 위해 만들어졌습니다.
• 3MF는 최근 몇 년 동안 AMF를 추월했으며, 오픈 소스이며 다수의 3D 프린터 제조업체 및 소프트웨어 하우스에서 지원합니다.

Altium Designer는 STEP 3D, Parasolid 또는 VRML 파일 형식 중 하나로 3D 보드 데이터를 내보낼 수 있지만, 이들은 메시 파일 형식이 아니며 PCB용 3D 인쇄 지침을 생성하는 데 사용할 수 없습니다. STEP 파일이 3D 데이터 교환의 업계 표준이므로, 우리는 Altium Designer의 STEP 내보내기 기능을 시작점으로 사용할 것입니다. 이번 시연에서는 STL을 목표 형식으로 할 것입니다. 가장 오래되고 가장 간단한 형식인 STL은 다른 형식으로 쉽게 변환할 수 있으며 거의 모든 3D 프린터에서 지원됩니다.

PCB용 3D 인쇄를 위한 메시 파일 요구 사항

슬라이서 애플리케이션은 3D 모델을 실제 객체로 변환하는 소프트웨어입니다. 이름에서 알 수 있듯이, 이는 객체를 일련의 수평 층으로 슬라이싱하는 방식으로 작동합니다.

피라미드 모양의 수평 슬라이싱

시장에는 다양한 3D 프린터가 있으며, 프린터마다 다른 인쇄 과정을 사용할 수 있습니다. 가장 널리 사용되는 과정은 용융 적층 성형(FDM)으로, 일반 플라스틱 필라멘트 프린터와 동일한 과정입니다. FDM 프린터는 가열된 플라스틱 필라멘트를 수평 패턴으로 압출하고 적층하여 3D 구조를 만듭니다.

FDM 슬라이서는 압출기가 따라갈 일련의 경로를 생성합니다. 각 층은 일반적으로 객체의 형태를 정의하는 두 개 이상의 외부 루프로 구성됩니다. 내부 채움 구조는 기계적 강도를 보장하고 다음 층을 지지하는 데 사용됩니다.

결과물의 바닥과 상단에 해당하는 첫 번째 및 마지막 층은 일반적으로 완전히 채워집니다. 중간 층은 인쇄 시간, 재료 비용, 그리고 완성품의 무게를 줄이기 위해 보통 부분적으로만 채워집니다.

슬라이서가 작업을 수행하려면 모델이 수학적 매니폴드여야 합니다. 3D 메시의 제한된 시나리오에서 이는 모든 가장자리가 두 개의 면에만 연결되어야 함을 의미합니다. 많은 3D 모델은 이 요구 사항을 벗어난 특징을 나타낼 수 있습니다.

• 예를 들어 한 면이 제거된 큐브와 같은 열린 몸체입니다.
• 평면
• 단일 꼭짓점 또는 단일 모서리로 연결된 면이나 몸체
• 내부 면
• 반대 방향의 법선; 면은 방향을 가지며 모델이 3D 프린팅 가능하려면 모든 면이 바깥쪽을 향해야 함

3D 프린팅 PCB를 위한 최신 모델 생성 기술

여기서 설명하는 기술이 도입되기 전에는, 디자인을 3D 프린트하고 싶다면 모든 구성 요소가 오류 없는 3D 몸체만으로 구성되어 있어야 하고 매우 정확한 STEP 파일이 필요했습니다. 각 구성 요소는 보드에서 약간 들어 올려져 있거나 완벽하게 위치해야 하며, 어떠한 경우에도 보드 몸체와 교차해서는 안 됩니다. 핀은 모든 관통 구멍 안에 맞아야 합니다.

특히 제조업체에서 제공하는 많은 3D 모델은 이러한 요구 사항을 충족하지 못합니다. 지난 몇 달 동안 접한 몇 가지 문제 사례는 다음과 같습니다:

• 보드와 쉽게 교차할 수 있는 플라스틱 돌기가 있는 전해 커패시터
• 금속 접점이 열린 면으로 그려진 반면, 세라믹 주체가 단단한 물체로 그려진 SMD 칩 저항기
• 핀이 주체와 교차하는 커넥터
• 접힌 금속 접점이 면으로 표현된 커넥터
• 핀이 각도로 그려진 DIP 패키지

Altium Designer는 3D STEP 파일 내의 모든 일반 객체를 완벽하게 지원하며, 우리가 던지는 어떤 3D 모델도 불평 없이 받아들입니다. 반면, 3D 프린팅 소프트웨어는 완벽하게 형성된 닫힌 본체만을 다룰 수 있습니다.

일반적인 STEP에서 STL 변환기의 문제점

이 예에서, 저는 제가 자주 사용하는 데모 디자인을 가져왔습니다. 이 아날로그 디스플레이는 제 회사의 마이크로웨이브 광학 플랫폼 포트폴리오의 일부로 프로토타입되었으며 STEP 파일로 내보냈습니다. 저는 몇 가지 인기 있는 STEP에서 STL 변환기를 통해 파일을 변환해 보았습니다. 이러한 변환기들은 기계적 구성 요소를 문제없이 처리했지만, PCB를 위해 내보낸 STEP 파일과 마주했을 때 결과는 혼합되었습니다.

• Makexyz.com: 변환은 오류 없이 완료되었지만, 결과 파일의 크기는 84바이트에 불과하고 데이터가 없습니다.
• Siemens NX: 컨테이너 선박 조립을 다루는 데 사용되는 Siemens NX를 사용해 보라고 동료에게 요청했습니다. 그는 Siemens NX가 STEP 파일을 올바르게 가져왔지만, 한 번에 하나의 구성 요소에 대해서만 STL 파일을 생성하며 전체 보드가 아니라고 보고했습니다. 보드를 단일 본체로 내보내려면 봉합 작업이 필요하지만, 이 과정은 부분적으로 수동이며 수백 개의 구성 요소를 가진 전자 보드에는 너무 많은 시간이 소요됩니다.
• Craftcloud: Craftcloud에서 "업로드 실패" 오류가 보고되었습니다.

Altium Designer 파일을 STL로 변환하기

PCB 파일을 STL 형식으로 성공적으로 변환하려면 표준 메싱 소프트웨어보다 한 단계 더 나아가야 합니다. 메시 데이터를 사용하는 가장 까다로운 소프트웨어는 무엇일까요? 메시가 완벽하지 않으면 아무것도 작동하지 않는 종류의 소프트웨어입니다. 한 개의 뒤집힌 면을 입력하면 악을 쓰고 컴퓨터 전체가 15분 동안 사용 불가능해질 정도로 심하게 충돌할 것입니다. 바로 FEM입니다. 유한 요소 방법 시뮬레이션.만약 Ansys와 같은 것을 사용한다면, 구조, 열, 유체 역학 또는 전자기 시뮬레이션을 위한 FEM 소프트웨어에 이미 익숙할 수 있습니다.

FEM 시뮬레이션 소프트웨어에서 사용되는 필드 솔버는 완벽한 메시를 요구합니다. 모든 FEM 스위트에는 간단한 메싱 소프트웨어를 능가하는 메싱 알고리즘이 있을 것이며, 아마도 가져오기/내보내기 메뉴 아래에 숨겨져 있을 것입니다.

불행히도, FEM 소프트웨어 스위트는 엄청나게 비쌀 수 있으며, 종종 Altium Designer 라이선스 비용의 몇 배에 달할 수 있습니다. 다행히도, Gmsh라는 오픈 소스 소프트웨어가 저를 구해주었습니다. 소프트웨어는 [여기]에서 다운로드할 수 있으며 GNU 일반 공중 사용 허가서에 따라 라이선스가 부여되어 있어 개인 및 상업 프로젝트 모두에서 무료로 사용할 수 있습니다.

GUI 사용

GUI를 사용하여 STEP 파일을 STL로 변환하려면 다음 과정을 따르세요:

• 파일을 엽니다 (파일, 열기). 이 작업은 최대 10분이 걸릴 수 있습니다
• 체적 메싱을 실행합니다. (모듈, 메시, 3D)
• STL로 저장합니다 (파일, 내보내기)

메싱 과정은 많은 구성 요소가 있는 보드의 경우 반 시간까지도 걸릴 수 있습니다.

변환 상태는 하단 바에 보고됩니다.

명령줄 사용

GUI 작업과 유사하게, 명령줄을 사용하여 변환을 수행할 수 있습니다. 올바른 디렉토리에서 명령 프롬프트를 열고 다음 명령을 발행합니다:

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

이 명령이 작동하려면 파일 입력 STEP 파일이 ghsm.exe와 같은 디렉토리에 있어야 합니다.

PCB 3D 프린팅

저는 시장에서 가장 인기 있는 3D 프린터 중 하나인 Prusa MK3의 자랑스러운 소유자입니다. 오렌지색으로 생긴, 마치 메이커 장난감 같은 프린터를 보신다면 그것은 Prusa입니다. 하지만 첫인상에 속아 넘어가서는 안 됩니다; 이 프린터는 많은 더 산업적으로 보이는 경쟁 제품들보다 훨씬 더 능력이 있고 잘 설계된 도구입니다.

프린터는 완전히 오픈 하드웨어 디자인과 오픈 소스 소프트웨어를 가지고 있습니다. 슬라이서는 PrusaSlicer라고 하며 시장에서 최고 중 하나입니다. 우리가 방금 PrusaSlicer에서 생성한 STL 파일들을 가져왔습니다. 파일들은 조금 무겁지만, 소프트웨어가 우아하게 처리합니다. STL은 노즐 크기보다 작은 기능을 프린터가 생성할 수 없다는 경고 몇 개를 제외하고는 성공적으로 슬라이스됩니다.

결론

Concord Pro의 MCAD CoDesigner 기능을 Altium 365에서 사용할 때, PCB 레이아웃을 가져와 프로토타이핑 실행 전에 3D 프린팅 PCB용 메쉬 파일을 생성할 수 있습니다. 위에 표시된 무료 소프트웨어를 사용하면 Altium PCB 레이아웃의 STEP 모델을 STL과 같은 업계 표준 3D 프린팅 형식으로 변환할 수 있습니다. 이는 보드(구성 요소 포함)가 플라스틱 모델로 3D 프린트될 때 빠르고 효과적인 치수 검사를 제공합니다.

보다 고급 3D 프린터, 예를 들어 Nano Dimension 및 Optomec에서 제공하는 프린터는 STL 파일에서 완전히 기능하는 회로 기판을 프린트하는 데 사용할 수 있습니다. 이 방법을 선택한다면, 베어 보드만을 STEP 모델로 내보내고 프린팅 지침을 생성하기 위해 STL 메쉬 파일로 변환해야 합니다. 3D 프린터가 있든 없든, SolidWorks, PTC Creo, Autodesk Inventor와 같은 인기 있는 MCAD 애플리케이션과 Altium 365 간의 통합을 활용하려면 Altium Concord Pro 제품 페이지를 확인해 보세요.

Altium이 다음 PCB 설계에서 어떻게 도움을 줄 수 있는지 더 알아보고 싶으신가요? Altium의 전문가와 상담하세요.