Drukowanie PCB metodą 3D i generowanie modeli do druku

Altium Concord Pro™ jako samodzielny produkt i marka został wycofany, a jego możliwości są teraz dostępne jako część naszych rozwiązań korporacyjnych Altium. Dowiedz się więcej tutaj.

Cieszę się z pracy z Altium Concord Pro® hostowanym na chmurze Altium 365® ostatnio. Jedną z najlepszych funkcji Altium 365 jest wsparcie dla współpracy mechanicznej z SolidWorks, PTC Creo oraz Autodesk Inventor. Dzięki funkcjom hostingu projektów przez Altium 365, łatwo jest otworzyć wspólny projekt w Altium Designer i zaimportować go do jednej z tych popularnych aplikacji MCAD.

Altium Designer® był pierwszym oprogramowaniem w branży ECAD, które poważnie podjęło temat 3D. Większość oprogramowań ECAD zawsze integrowała jakiś rodzaj eksportu 3D, ale moim osobistym zdaniem, funkcje te często były połowicznymi próbami, mającymi na celu co najwyżej sprawdzenie, czy płyta pasuje do obudowy. Altium Designer oferuje w pełni zintegrowane środowisko, gdzie 2D i 3D idą w parze, a Ty możesz wykonywać funkcje układu 2D w widoku 3D MCAD w Altium Designer. Podejście z naciskiem na 3D zawsze było jednym z mocnych punktów platformy i jest jednym z wielu powodów, dla których zawsze wybierałem Altium Designer jako moje główne oprogramowanie ECAD.

Ta funkcja była absolutnym wybawieniem przy wielu okazjach, gdy pracowałem w branży inwerterów mocy. Inwertery mocy mają duże elektrolityczne kondensatory, cewki PFC, które rozpraszają znaczne ilości mocy, oraz moduły mocy, których piny ledwo pozwalają spełnić wymagania izolacji. Wszystkie te komponenty często muszą być umieszczone w bliskiej odległości od kondensatorów wielkości puszki Coca-Coli.

Rozszerzenie MCAD Altium CoDesigner jest dołączane do każdego konta Concord Pro na Altium 365 i umożliwia bezproblemową integrację oraz współpracę między inżynierią mechaniczną a elektroniczną. Proces projektowania elektroniki mocy jest z natury trójwymiarowy; fizyka nie obchodzi nasza miłość do przedstawiania wszechświata na płaskich arkuszach papieru. Skomplikowane wzorce transferu ciepła i ładunku w urządzeniach zasilających muszą być modelowane, analizowane i rozumiane w 3D, aby umożliwić konkurencyjny czas wprowadzenia na rynek i kompaktową formę. Altium Designer pozwala mi to robić w każdej sekundzie procesu projektowania.

Co z drukiem 3D PCB?

Jednak jest element układanki, który nie pasuje. Chciałbym mieć fizyczne prototypy 3D moich płyt w tym samym czasie, gdy prototypy mechaniczne obudów są drukowane w mojej drukarce 3D. Jeśli chcesz drukować PCB lub obudowy dla swoich PCB w 3D, musisz wygenerować instrukcje drukowania dla swojego projektu, albo za pomocą standardowej aplikacji MCAD, albo generatora plików siatki.

Wiele osób próbowało przekonwertować wyjścia STEP 3D z Altium Designer na standardowe formaty dla branży druku 3D, takie jak STL czy OBJ, z różnymi rezultatami. Wynikowe pliki często są bardzo ciężkie i podatne na błędy podczas importowania do oprogramowania do druku 3D. Niektóre firmy produkujące drukarki 3D mają oprogramowanie, które może przekonwertować twój projekt na jeden z tych formatów lub na format własnościowy, ale te wyjścia są zaprojektowane specjalnie pod kątem konkretnych drukarek 3D, a nie jako uniwersalne wyjścia.

Niektóre komponenty często znikają całkowicie, i mogę zaświadczyć, że wydaje się to zdarzać częściej w przypadku złącz, być może najważniejszego komponentu w integracji mechanicznej. Problem utrzymuje się, gdy przechodzi się przez 3D CAD, takie jak Solidworks czy PTC Creo. W tym artykule możesz dowiedzieć się, dlaczego tak się dzieje i jak temu zaradzić. Uwaga, spoiler: to nie wina Altium.

Co to jest plik siatki?

Plik siatki, a dokładniej plik siatki poligonowej, zawiera wierzchołki, krawędzie i ściany, które razem definiują kształt obiektu 3D. Celem tworzenia pliku siatki jest odtworzenie obiektu 3D za pomocą tych poligonów, tak aby przybliżyć prawdziwy kształt jako kombinację poligonów.

W matematycznych terminach, wynikowy obiekt jest bardzo dziwnym wielościanem, najczęściej złożonym z ogromnej liczby trójkątów z nakładającymi się wierzchołkami. Trójkąty są najczęściej używane do reprezentowania skomplikowanych struktur 3D, ponieważ mogą one bardzo ładnie przybliżać krzywe, podczas gdy sześciany lub prostopadłościany pozostawiają ząbkowane krawędzie wzdłuż zakrzywionej powierzchni.

Formaty plików siatki

Najpopularniejsze formaty plików siatki używane w druku 3D to STL, OBJ, AMF i 3MF.

• STL jest de facto standardem dla nowoczesnych, przystępnych cenowo drukarek 3D. Obsługuje tylko najbardziej podstawowe informacje geometryczne, ale nie może kodować kolorów ani dodatkowych metadanych. Format sięga pierwszej komercyjnej drukarki 3D w 1987 roku, SLA-1. Branża dawno ustaliła STL jako standard, ale format jest podatny na błędy, a wynikowe pliki mogą być ciężkie i wolno się czytać.
• OBJ jest bardziej nowoczesną alternatywą, która pozwala na przechowywanie danych kolorystycznych i obsługuje bardziej zaawansowane powierzchnie niż trójkątne siatki STL i jest używana głównie z kolorowymi drukarkami 3D.
• AMF został wprowadzony jako standardowy format pliku ASTM dla druku 3D w 2011 roku i miał być alternatywą dla standardowego formatu STL.
• 3MF w ostatnich latach wyprzedził AMF, który jest otwartym źródłem i wspieranym przez licznych producentów drukarek 3D oraz firmy programistyczne.

Altium Designer może eksportować dane płytki 3D w formatach plików STEP 3D, Parasolid lub VRML, z których żaden nie jest formatem siatkowym i nie może być użyty do generowania instrukcji drukowania 3D dla PCB. Wykorzystamy funkcję eksportu STEP w Altium Designer jako nasz punkt wyjścia, ponieważ pliki STEP są standardem branżowym dla wymiany danych 3D. Naszym docelowym formatem będzie STL dla tej demonstracji. Będąc najstarszym i najprostszym dostępnym formatem, łatwo jest go przekonwertować na dowolny inny format i jest wspierany przez praktycznie wszystkie drukarki 3D.

Wymagania dotyczące plików siatkowych dla druku 3D PCB

Aplikacja slicer to oprogramowanie odpowiedzialne za przekształcanie modeli 3D w obiekty rzeczywiste. Jak sugeruje nazwa, działa poprzez krojenie obiektu na serię poziomych warstw.

Poziome krojenie kształtu piramidy

Na rynku dostępnych jest wiele drukarek 3D, a różne drukarki mogą korzystać z różnych procesów drukowania. Najbardziej rozpowszechnionym procesem jest modelowanie przez nakładanie warstw (FDM), które jest tym samym procesem, używanym w przypadku powszechnych drukarek z plastikowym filamentem. Drukarki FDM działają poprzez wytłaczanie i osadzanie rozgrzanego filamentu plastikowego w poziomym wzorze, a struktura 3D jest budowana poprzez osadzanie kolejnych warstw.

Programy do cięcia FDM tworzą serię ścieżek, którymi ma podążać ekstruder. Każda warstwa zwykle składa się z dwóch lub więcej zewnętrznych pętli, które definiują kształt obiektu. Wewnętrzna struktura wypełnienia jest używana, aby zapewnić sztywność mechaniczną i wspierać kolejne warstwy.

Pierwsza i ostatnia warstwa, odpowiednio na dole i na górze powstałego obiektu, są zazwyczaj wypełniane całkowicie. Warstwy pośrednie są zwykle wypełniane tylko częściowo, aby skrócić czas druku, koszt materiału oraz wagę gotowego produktu.

Aby program do cięcia mógł wykonać swoje zadanie, model musi być matematyczną rozmaitością. W ograniczonym scenariuszu siatek 3D oznacza to, że wszystkie krawędzie muszą łączyć się z dwiema i tylko dwiema ścianami. Wiele modeli 3D może prezentować cechy, które wychodzą poza to wymaganie.

• Otwarte ciała lub na przykład sześcian z usuniętą jedną ścianą.
• Płaszczyzny
• Powierzchnie lub ciała połączone pojedynczym wierzchołkiem lub ciała połączone pojedynczą krawędzią
• Wewnętrzne ściany
• Przeciwstawne normalne; ściany mają kierunek, i wszystkie muszą być skierowane na zewnątrz, aby model był nadający się do druku 3D

Stan sztuki w generowaniu modeli do druku 3D PCB

Przed wprowadzeniem opisanej tutaj techniki, potrzebowałbyś, aby każdy komponent był wykonany tylko z nieskazitelnych ciał 3D i wysoko dokładnych plików STEP, jeśli chcesz drukować swoje projekty w 3D. Każdy komponent musiałby być nieco uniesiony od płytki lub umieszczony idealnie, w żadnym wypadku nie przecinając się z ciałem płytki. Piny musiałyby pasować do każdego otworu przelotowego.

Wiele modeli 3D, zwłaszcza tych dostarczanych przez producentów, nie spełnia tych wymagań. Oto kilka przykładów problemów, z którymi się spotkałem w ciągu ostatnich kilku miesięcy:

• Elektrolityczny kondensator z plastikowymi wypustkami, które mogą łatwo przecinać się z płytą
• Rezystor SMD, którego ceramiczne główne ciało jest narysowane jako bryła, ale z metalowymi kontaktami narysowanymi jako otwarte ściany
• Złącza, gdzie piny przecinają główne ciało
• Złącza, gdzie zagięte metalowe kontakty są reprezentowane jako ściany
• Obudowy DIP narysowane z pinami pod kątem

Altium Designer posiada pełne wsparcie dla każdego typowego obiektu w plikach 3D STEP i bez problemu akceptuje każdy model 3D, który mu przekażemy. Oprogramowanie do druku 3D, z kolei, może pracować tylko z doskonale zamkniętymi bryłami.

Co się dzieje przy użyciu popularnych konwerterów STEP na STL

W tym przykładzie użyłem mojego ulubionego projektu demonstracyjnego. Ten analogowy wyświetlacz został zaprojektowany jako część portfolio Platformy Optyki Mikrofalowej mojej firmy i wyeksportowany jako plik STEP. Próbowałem przekonwertować plik za pomocą kilku popularnych konwerterów STEP na STL. Wszystkie te konwertery poradziły sobie z komponentami mechanicznymi bez problemu, ale kiedy przyszło do eksportowanego pliku STEP dla PCB, wyniki były mieszane.

• Makexyz.com: Konwersja zakończyła się bez błędów, ale wynikowy plik ma tylko 84 bajty i nie zawiera żadnych danych.
• Siemens NX: Poprosiłem kolegę, aby użył Siemens NX, który jest stosowany do obsługi montaży statków kontenerowych. Zgłosił, że Siemens NX prawidłowo zaimportował plik STEP, ale wygenerowałby plik STL tylko dla jednego komponentu na raz, a nie dla całej płyty. Aby wyeksportować płytę jako pojedyncze ciało, potrzebna jest operacja zszywania, ale proces jest częściowo manualny i wymaga zbyt dużo czasu dla elektronicznej płyty z setkami komponentów.
• Craftcloud: Craftcloud zgłasza błąd „Upload Failed” (Przesyłanie nieudane).

Konwersja plików Altium Designer na format STL

Aby pomyślnie przekonwertować pliki PCB na format STL, musimy pójść o krok dalej niż standardowe oprogramowanie do tworzenia siatek. Zadałem sobie pytanie, jakie oprogramowanie korzystające z danych siatki jest najbardziej wymagające? Rodzaj oprogramowania, w którym nic nie działa, jeśli siatka nie jest idealna? Które wpadnie w złość, jeśli dostanie choć jedną odwróconą ścianę i zawiesi się tak mocno, że cały komputer stanie się nieużywalny przez 15 minut? FEM. Metoda Elementów Skończonych (Finite Element Method Simulation).Jeśli używasz czegoś takiego jak Ansys, możesz być już zaznajomiony z oprogramowaniem FEM do symulacji strukturalnych, termicznych, fluidodynamicznych lub elektromagnetycznych.

Solver polowy używany w oprogramowaniu do symulacji FEM wymaga idealnych siatek. Gdzieś w każdym pakiecie FEM znajdują się algorytmy siatkowania, które pozostawiają proste oprogramowanie do siatkowania daleko w tyle, być może ukryte pod menu importu/eksportu.

Niestety, pakiety oprogramowania FEM mogą być ogromnie drogie, często wielokrotnie przewyższają koszt licencji Altium Designer. Na szczęście na moją pomoc przyszło oprogramowanie open-source o nazwie Gmsh. Oprogramowanie można pobrać [tutaj] i jest licencjonowane na zasadach GNU General Public License, co oznacza, że jest darmowe do użytku zarówno osobistego, jak i komercyjnego.

Wykorzystanie GUI

Aby przekonwertować plik STEP na STL za pomocą interfejsu graficznego, można postępować zgodnie z tym procesem:

• Otwórz plik (plik, otwórz). Może to zająć do 10 minut
• Uruchom siatkowanie objętościowe. (Moduły, Siatka, 3D)
• Zapisz jako STL (Plik, Eksportuj)

Proces siatkowania może trwać długo, nawet pół godziny dla płyt z wieloma komponentami.

Status konwersji jest wyświetlany na dolnym pasku.

Użycie linii poleceń

Podobnie jak w przypadku operacji GUI, możemy użyć linii poleceń do wykonania konwersji, otwierając wiersz poleceń w odpowiednim katalogu i wpisując następujące polecenie:

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

Plik wejściowy STEP powinien być umieszczony w tym samym katalogu co ghsm.exe, aby to polecenie działało.

Drukowanie 3D Twoich PCB

Jestem dumny z posiadania Prusa MK3, jednej z najpopularniejszych drukarek 3D na rynku. Jeśli widzisz pomarańczową drukarkę, która wygląda trochę jak zabawka dla majsterkowiczów, to Prusa. Ale nie powinieneś się dać zwieść pierwszym wrażeniom; ta drukarka to zdolne i dobrze zaprojektowane narzędzie, o wiele więcej niż wiele jej bardziej przemysłowo wyglądających odpowiedników.

Drukarka ma w pełni otwarty projekt sprzętu i oprogramowanie open-source. Program do krojenia, zwany PrusaSlicer, należy do najlepszych na rynku. Zaimportowałem pliki STL, które właśnie wygenerowaliśmy w PrusaSlicerze. Są trochę ciężkie, ale oprogramowanie radzi sobie z nimi z gracją. Krojenie STL przebiega pomyślnie, z tylko kilkoma ostrzeżeniami, głównie dotyczącymi niemożności stworzenia przez drukarkę cech mniejszych niż rozmiar dyszy.

Wnioski

Pracując z funkcją MCAD CoDesigner w Concord Pro na Altium 365, można przenieść układ PCB i stworzyć pliki siatki do druku 3D PCB przed wykonaniem prototypu. Korzystając z darmowego oprogramowania pokazanego powyżej, można przekonwertować modele STEP układu PCB z Altium na standardowe w branży formaty do druku 3D, takie jak STL. Zapewnia to szybką i skuteczną weryfikację wymiarową, gdy twoja płyta (wraz z komponentami) jest drukowana 3D jako model plastikowy.

Bardziej zaawansowane drukarki 3D, takie jak te od Nano Dimension i Optomec, mogą być używane do drukowania w pełni funkcjonalnych płyt obwodów z plików STL. Jeśli wybierzesz tę drogę, będziesz musiał wyeksportować tylko samą płytę jako model STEP i przekonwertować go na plik siatki STL, aby wygenerować instrukcje drukowania. Niezależnie od tego, czy posiadasz drukarkę 3D, czy nie, możesz sprawdzić stronę produktu Altium Concord Pro, aby skorzystać z integracji między Altium 365 a popularnymi aplikacjami MCAD, takimi jak SolidWorks, PTC Creo i Autodesk Inventor.

Chcesz dowiedzieć się więcej o tym, jak Altium może pomóc Ci w następnym projekcie PCB? Porozmawiaj z ekspertem z Altium.