Wspólny projekt ECAD/MCAD do produkcji PCB metodą drukowania w 3D

Zachariah Peterson
|  July 14, 2019
Wytwarzanie PCB z wydrukiem 3D.

Ironią losu jest fakt, iż projektowanie PCB pomogło napędzić przyjęcie nowej technologii we wszystkich gałęziach przemysłu, także w automatyzacji produkcji, a mimo to same procesy produkcji PCB od dekad nie widziały radykalnych innowacji. Niektóre innowacyjne firmy chcą to zmienić i kierują proces wytwarzania  PCB w stronę przemysłu 4.0.

PCB manufacturing with a 3D printerZakłady przyszłości produkujące PCB metodą drukowania 3D mogą przypominać ten na zdjęciu

Wydruki 3D już napędzają nowe metody produkcji w każdej gałęzi przemysłu, takie jak „lights out” czy produkcja cyfrowa. Produkcja PCB nie stanowi wyjątku. Niektóre znane firmy już zapewniają kompletne systemy szybkiego prototypowania PCB w ramach jednego procesu.

I tu właśnie oprogramowanie ECAD ma pewne zaległości. Projektanci chcący tworzyć płytki PCB do wykorzystania w drukarkach 3D używają zwykle programów ECAD do projektowania schematów i układów PCB, po czym muszą odtworzyć swój układ w programie do modelowania mechanicznego. Na szczęście powstały już nowe narzędzia do współpracy ECAD/MCAD, które oszczędzają projektantom znaczne ilości czasu podczas wytwarzania  PCB do produkcji przy użyciu drukarek 3D.

Projekt drukowania przestrzennego PCB

Projektując płytki drukowane do drukowania przestrzennego, nowego znaczenia nabierają mechaniczne aspekty projektu. Użycie drukowania 3D do produkcji daje projektantom dużo więcej swobody podczas tworzenia nowej architektury układów scalonych, płytek o nietypowych kształtach, a nawet płytek o nierównej geometrii. Obejmuje to także formowane urządzenia scalone elementy drukowane na zakrzywionych płytkach, a nawet w pełni elastyczne PCB. Projektanci nie są ograniczeni licznymi zasadami, jakimi rządzą się tradycyjne procesy produkcji płytek PCB.

Każdy projektant chcący stworzyć płytkę PCB do drukowania przestrzennego musi uwzględnić podczas projektowania płytki poszczególne aspekty żądanego procesu produkcji metodą drukowania 3D. Różne systemy 3D są specjalnie przystosowane do użycia z różnymi materiałami i nie wszystkie płytki można wyprodukować przy pomocy dowolnego systemu drukowania przestrzennego. Różne materiały oznaczają także różne ograniczenia odnośnie do kształtu powierzchni płytki, nadającej się do produkcji architektury 3D oraz właściwości mechanicznych gotowego urządzenia.

3D printed circuit board

Właściwy system produkcyjny do drukowania 3D  może drukować o wiele mniejsze projekty od tego.

Oprócz ograniczeń materiałowych, różne procesy przestrzenne mają ograniczenia dotyczące rozdzielczości wydruków 3D oraz wymagają różnych czasów produkcji i posiadających odpowiednie umiejętności operatorów. Jeśli chodzi o projekt, to niektóre procesy będą przydatne do produkcji przestrzennej PCB wyłącznie na sztywnym podłożu i nie umożliwiają jednoczesnego drukowania podłoża i przewodników. Rozdzielczość drukowania 3D to ważny aspekt mechaniczny, gdyż decyduje on o minimalnym rozmiarze przewodnika lub izolatora, jaki można wydrukować metodą 3D w płytce drukowanej.

Projektowanie dla różnych procesów drukowania 3D

Chyba najważniejszą zaletą drukowania 3D jest fakt, iż projektanci mają możliwość tworzenia wyjątkowej architektury układów scalonych, której nie sposób wyprodukować przy użyciu tradycyjnych procesów produkcji PCB. Oznacza to, że architektury takie jak ELIC, VeCS, czy unikalne projekty typu microvia mogą być nakładane bezpośrednio na PCB przy zarówno płaskiej jak i nierównej powierzchni płytki.

Wykorzystywany w tym celu proces 3D określi, czy dane podłoże i przewodniki na płytce drukowanej mogą zostać wydrukowane w 3D jednocześnie, przy pomocy atramentu lub aerosolu, czy też izolator dielektryczny i przewodniki trzeba będzie drukować na sztywnym podłożu, jak w przypadku wytłaczania materiałów. Inne procesy, takie jak wydruki 3D z topionego metalu czy selektywne spiekanie laserowe, nie stanowią najlepszego wyboru dla drukowania 3D w produkcji PCB.

3D printer for fused deposition molding

Drukowanie w 3D – typowa głowica do osadzania topionego materiału

Niektóre innowacyjne firmy produkujące metodą drukowania 3D opracowują własne wtyczki do programów MCAD, które pomagają projektantom w dostosowaniu ich projektów do systemu produkcji metodą drukowania przestrzennego. Pracując z oprogramowaniem do projektów elektrycznych, które jest zsynchronizowane z tymi programami MCAD, mamy pełny pakiet narzędzi do projektowania układów elektrycznych i mechanicznych do tworzenia płytek, które będą używane z systemami produkcji metodą drukowania 3D.

Wnioski końcowe

W wielu branżach, takich jak lotnictwo, kosmonautyka czy motoryzacja, systemy produkcji metodą drukowania przestrzennego są wykorzystywane jako uzupełnienie tradycyjnych procesów produkcji i montażu. Uproszczona architektura projektu oraz poszczególne etapy drukowania warstwa po warstwie używane w procesach produkcji metodą drukowania przestrzennego charakteryzują się podobnymi lub niższymi kosztami niż w przypadku tradycyjnych procesów. W rezultacie elementy wyprodukowane metodą drukowania przestrzennego są zwykle lżejsze, w trakcie produkcji generują mniejsze straty materiału, a gotowe części mogą w dodatku zostać użyte w ramach tradycyjnego procesu montażu.

Produkcja PCB nie stanowi tu wyjątku. Płytkę można wydrukować na sztywnym podłożu lub jako samodzielne urządzenie, a gotowy produkt można poddać tradycyjnemu procesowi montażu. Inżynierowie i projektanci ds. produkcji mogą oczekiwać, że w przyszłości systemy produkcji PCB metodą drukowania 3D będą zintegrowane w automatami lutowniczymi typu „pick and place” w celu wyeliminowania etapów ręcznego montażu.

Dostępne w Altium Designerze® narzędzia do projektowania układów, testowania i weryfikacji można teraz integrować z funkcjami współpracy MCAD w programie Altium Concord Pro®, dzięki czemu projektanci otrzymują pełen zestaw narzędzi do projektowania płytek PCB przeznaczonych do produkcji metodą drukowania przestrzennego. Dostępne Altium Designerze funkcje ECAD dają projektantom zestaw narzędzi niezbędny do stworzenia kompletnego układu elektrycznego, zaś Altium Concord Pro umożliwia importowanie kompletnego modelu elektrycznego do popularnych programów MCAD. Mechaniczne i elektryczne aspekty płytki drukowanej można projektować równolegle, co oszczędza projektantom znaczne ilości czasu oraz ułatwia zaprojektowanie urządzenia przeznaczonego do produkcji metodą drukowania przestrzennego.

Skontaktuj się z nami lub pobierz bezpłatną wersję próbną Altium Designera i Altium Concord Pro. W jednym programie uzyskasz dostęp do najlepszych w branży narzędzi do trasowania, projektowania, testowania i współpracy MCAD. Porozmawiaj z ekspertem Altium, aby dowiedzieć się więcej.

About Author

About Author

Zachariah Peterson has an extensive technical background in academia and industry. Prior to working in the PCB industry, he taught at Portland State University. He conducted his Physics M.S. research on chemisorptive gas sensors and his Applied Physics Ph.D. research on random laser theory and stability.His background in scientific research spans topics in nanoparticle lasers, electronic and optoelectronic semiconductor devices, environmental systems, and financial analytics. His work has been published in several peer-reviewed journals and conference proceedings, and he has written hundreds of technical blogs on PCB design for a number of companies. Zachariah works with other companies in the PCB industry providing design and research services. He is a member of IEEE Photonics Society and the American Physical Society.

most recent articles

Back to Home