Impressão 3D de PCBs e Geração de Modelos de Impressão

O Altium Concord Pro™ como um produto e marca autônomos foi descontinuado, e as capacidades agora estão disponíveis como parte das nossas soluções empresariais Altium. Saiba mais aqui.

Eu tenho gostado de trabalhar com o Altium Concord Pro® hospedado na nuvem Altium 365® recentemente. Uma das melhores características do Altium 365 é o suporte para colaboração mecânica com SolidWorks, PTC Creo e Autodesk Inventor. Graças às funcionalidades de hospedagem de projetos através do Altium 365, é fácil abrir um projeto compartilhado no Altium Designer e importá-lo para uma dessas populares aplicações MCAD.

O Altium Designer foi o primeiro software na indústria de ECAD a levar a sério o 3D. A maioria dos softwares de ECAD sempre integrou algum tipo de exportação 3D, mas na minha visão pessoal, as funcionalidades eram frequentemente tentativas meias-bocas, destinadas na melhor das hipóteses a verificar se a placa cabia no invólucro. O Altium Designer oferece um ambiente totalmente integrado onde 2D e 3D andam de mãos dadas, e você pode realizar funções de layout 2D na visualização MCAD 3D no Altium Designer. A abordagem primeiro em 3D sempre foi um dos pontos fortes da plataforma e é uma das muitas razões pelas quais eu sempre acabei escolhendo o Altium Designer como meu software ECAD de preferência.

A funcionalidade tem sido um verdadeiro salva-vidas em várias ocasiões quando trabalhando na indústria de inversores de potência. Inversores de potência têm capacitores eletrolíticos volumosos, bobinas PFC que dissipam quantidades consideráveis de energia, e módulos de potência cujos pinos mal permitem atender aos requisitos de isolamento. Todos esses componentes frequentemente precisam ser encaixados em proximidade próxima a capacitores do tamanho de uma lata de Coca-Cola.

A extensão MCAD Altium CoDesigner é fornecida com cada conta do Concord Pro no Altium 365, e permite uma integração e colaboração perfeitas entre a engenharia mecânica e eletrônica. O processo de projetar eletrônicos de potência é intrinsecamente tridimensional; a física não se importa com nosso amor por adaptar o universo em folhas planas de papel. Os sofisticados padrões de transferência de calor e carga dos aparelhos de potência precisam ser modelados, analisados e compreendidos em 3D para possibilitar um tempo de colocação no mercado competitivo e um fator de forma compacto. O Altium Designer me permite fazer isso a cada segundo do processo de design.

O Que Dizer Sobre a Impressão 3D de PCBs?

Ainda assim, há uma peça do quebra-cabeça que não se encaixa. Eu adoraria ter protótipos físicos 3D das minhas placas ao mesmo tempo em que os protótipos mecânicos das caixas estão sendo impressos na minha impressora 3D. Se você deseja imprimir PCBs ou caixas para suas PCBs em 3D, você precisa gerar instruções de impressão para o seu design, seja com um aplicativo MCAD padrão ou um gerador de arquivo de malha.

Muitos tentaram converter as saídas STEP 3D do Altium Designer para formatos padrão da indústria de impressão 3D, como STL ou OBJ, com resultados variados. Os arquivos resultantes são frequentemente muito pesados e propensos a erros quando importados para softwares de impressão 3D. Algumas empresas de impressoras 3D possuem softwares que podem converter seu design para um desses formatos ou um formato proprietário, mas essas saídas são projetadas para impressoras 3D específicas, em vez de serem saídas universais.

Alguns componentes frequentemente desaparecem por completo, e posso testemunhar que isso parece acontecer mais frequentemente com conectores, talvez o componente mais crítico na integração mecânica. O problema persiste ao passar por CADs 3D, como Solidworks ou PTC Creo. Neste artigo, você pode descobrir por que isso acontece e como abordar o problema. Alerta de spoiler: não é culpa da Altium.

O que é um Arquivo de Malha?

Um arquivo de malha, ou mais precisamente um arquivo de malha poligonal, contém vértices, arestas e faces que juntos definem a forma de um objeto 3D. O objetivo ao criar um arquivo de malha é reconstruir o objeto 3D com esses polígonos de modo que aproximemos a verdadeira forma como uma combinação de polígonos.

Em termos matemáticos, o objeto resultante é um poliedro muito estranho, geralmente composto por um enorme número de triângulos com vértices sobrepostos. Triângulos são mais comumente usados para representar estruturas 3D complexas porque eles podem aproximar curvas de maneira muito eficaz, enquanto cubos ou paralelepípedos deixam bordas serrilhadas ao longo de uma superfície curva.

Formatos de Arquivo de Malha

Os formatos de arquivo de malha mais comuns usados em impressão 3D são STL, OBJ, AMF e 3MF.

• STL é o padrão de fato para impressoras 3D modernas e acessíveis. Ele suporta apenas as informações geométricas mais básicas, mas não pode codificar cor ou metadados adicionais. O formato remonta à primeira impressora 3D comercial em 1987, a SLA-1. A indústria há muito se estabeleceu no STL como um padrão, mas o formato é propenso a erros, e os arquivos resultantes podem ser pesados e lentos para ler.
• OBJ é uma alternativa mais moderna que permite que dados de cor sejam armazenados, e suporta superfícies mais avançadas do que as malhas triangulares do STL e é usado principalmente com impressoras 3D coloridas.
• AMF foi introduzido como o formato de arquivo padrão ASTM para impressão 3D em 2011 e pretendia ser uma alternativa ao formato padrão STL.
• 3MF superou o AMF nos últimos anos, sendo de código aberto e apoiado por numerosos fabricantes de impressoras 3D e casas de software.

O Altium Designer pode exportar dados de placas 3D nos formatos de arquivo STEP 3D, Parasolid ou VRML, nenhum dos quais são formatos de arquivo de malha e não podem ser usados para gerar instruções de impressão 3D para PCBs. Usaremos a funcionalidade de exportação STEP no Altium Designer como nosso ponto de partida, já que os arquivos STEP são o padrão da indústria para troca de dados 3D. Nosso formato alvo será STL para esta demonstração. Sendo o formato mais antigo e simples disponível, é fácil de converter para qualquer outro formato e é suportado por praticamente todas as impressoras 3D.

Requisitos de Arquivo de Malha Para Impressão 3D de PCBs

Um aplicativo slicer é o software responsável por traduzir modelos 3D em objetos do mundo real. Como o nome sugere, ele funciona fatiando o objeto em uma série de camadas horizontais.

Fatiamento Horizontal de uma Forma de Pirâmide

Existem muitas impressoras 3D no mercado, e diferentes impressoras podem usar diferentes processos de impressão. O processo mais difundido é o modelagem por deposição fundida (FDM), que é o mesmo processo usado com impressoras de filamento plástico comuns. As impressoras FDM operam por extrusão e deposição de um filamento plástico aquecido em um padrão horizontal, e a estrutura 3D é construída depositando-se em camadas sucessivas.

Os fatiadores FDM criam uma série de caminhos para o extrusor seguir. Cada camada geralmente consiste em dois ou mais laços externos que definem a forma do objeto. Uma estrutura de preenchimento interna é usada para garantir rigidez mecânica e suportar as próximas camadas.

A primeira e a última camada, respectivamente na parte inferior e superior do objeto resultante, são normalmente preenchidas inteiramente. As camadas intermediárias geralmente são apenas parcialmente preenchidas para reduzir o tempo de impressão, custo do material, e peso do produto final.

Para que o fatiador faça seu trabalho, o modelo deve ser um manifold matemático. No cenário limitado de malhas 3D, isso significa que todas as arestas devem se conectar a duas e apenas duas faces. Muitos modelos 3D podem apresentar características que fogem desse requisito.

• Corpos abertos ou, por exemplo, um cubo com uma face removida.
• Planos
• Superfícies ou corpos conectados por um único vértice ou corpos conectados por uma única aresta
• Faces internas
• Normais opostas; as faces têm uma direção, e todas devem estar voltadas para fora para que o modelo possa ser impresso em 3D

Geração de Modelos de Última Geração para Impressão 3D de PCBs

Antes da introdução da técnica explicada aqui, você precisaria que cada componente fosse feito apenas de corpos 3D perfeitos e arquivos STEP altamente precisos se quiser imprimir seus designs em 3D. Cada componente precisaria ser ligeiramente levantado da placa ou posicionado perfeitamente, em nenhuma circunstância intersectando com o corpo da placa. Os pinos precisariam se encaixar em cada furo passante.

Muitos modelos 3D, especialmente aqueles fornecidos pelos fabricantes, não atendem a esses requisitos. Aqui estão alguns exemplos de problemas que encontrei nos últimos meses:

• Um capacitor eletrolítico com pinos de plástico que podem facilmente intersectar com a placa
• Um resistor chip SMD cujo corpo principal de cerâmica é desenhado como sólido, mas com os contatos metálicos desenhados como faces abertas
• Conectores onde os pinos intersectam o corpo principal
• Conectores onde contatos metálicos dobrados são representados como faces
• Pacotes DIP desenhados com os pinos em ângulo

O Altium Designer possui suporte completo para todos os objetos comuns dentro de arquivos 3D STEP e aceita alegremente qualquer modelo 3D que lançamos nele sem reclamar. O software de impressão 3D, por outro lado, só pode trabalhar com corpos fechados perfeitamente formados.

O que Acontece com Conversores Comuns de STEP para STL

Neste exemplo, peguei meu design de demonstração preferido. Este display analógico foi prototipado como parte do portfólio da Plataforma de Óptica de Micro-ondas da minha empresa e exportado como um arquivo STEP. Tentei converter o arquivo através de alguns conversores populares de STEP para STL. Todos esses conversores lidaram com componentes mecânicos sem problemas, mas quando confrontados com um arquivo STEP exportado para uma PCB, os resultados são mistos.

• Makexyz.com: A conversão foi concluída sem erros, mas o arquivo resultante tem apenas 84 bytes de tamanho e não contém dados.
• Siemens NX: Pedi a um colega para usar o Siemens NX, que é usado para lidar com montagens de navios porta-contêineres. Ele relatou que o Siemens NX importou o arquivo STEP corretamente, mas geraria um arquivo STL apenas para um componente de cada vez e não para toda a placa. Para exportar a placa como um corpo único, é necessária uma operação de costura, mas o processo é parcialmente manual e requer muito tempo para uma placa eletrônica com centenas de componentes.
• Craftcloud: Craftcloud relata um erro de “Falha no Upload”.

Convertendo Arquivos do Altium Designer Para STL

Para converter com sucesso seus arquivos de PCB para o formato STL, precisamos ir além do que o software de malha padrão oferece. Eu me perguntei, qual é o software mais exigente que utiliza dados de malha? Aquele tipo de software onde nada funciona se a malha não estiver perfeita? Que vai dar um chilique se você alimentá-lo com uma face invertida e travar tão forte que seu computador inteiro ficará inutilizável por 15 minutos? FEM. Simulação pelo Método dos Elementos Finitos.Se você usa algo como Ansys, talvez já esteja familiarizado com o software FEM para simulação estrutural, térmica, fluido-dinâmica ou eletromagnética.

O resolvedor de campo usado no software de simulação FEM requer malhas perfeitas. Em algum lugar de cada suíte FEM, existem algoritmos de malha que deixam o software de malha simples para trás, talvez escondidos sob um menu de importação/exportação.

Infelizmente, as suítes de software FEM podem ser enormemente caras, muitas vezes custando várias vezes o preço de uma licença do Altium Designer. Felizmente, um software de código aberto chamado Gmsh veio ao meu socorro. O software pode ser baixado [aqui] e é licenciado sob a GNU General Public License, o que significa que é gratuito para uso tanto em projetos pessoais quanto comerciais.

Uso da Interface Gráfica (GUI)

Para converter um arquivo STEP para STL usando a interface gráfica, você pode seguir este processo:

• Abrir o arquivo (arquivo, abrir). Isso pode levar até 10 minutos
• Executar a malha volumétrica. (Módulos, Malha, 3D)
• Salvar como STL (Arquivo, Exportar)

O processo de malha pode levar muito tempo, até meia hora para placas com muitos componentes.

O status da conversão é reportado na barra inferior.

Uso da Linha de Comando

De maneira similar à operação via GUI, podemos usar a linha de comando para realizar a conversão, abrindo o prompt de comando no diretório correto e emitindo o seguinte comando:

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

O arquivo de entrada STEP deve ser colocado no mesmo diretório que ghsm.exe para que este comando funcione.

Imprimindo suas PCBs em 3D

Sou o orgulhoso proprietário de uma Prusa MK3, uma das impressoras 3D mais populares do mercado. Se você ver uma impressora laranja que parece algo como um brinquedo de maker, é uma Prusa. Mas seria melhor se você não se deixasse enganar pelas primeiras impressões; esta impressora é uma ferramenta capaz e bem projetada, muito mais do que muitos dos seus equivalentes com aparência mais industrial.

A impressora tem um design de hardware totalmente aberto e software de código aberto. O fatiador, chamado PrusaSlicer, está entre os melhores do mercado. Importei os arquivos STL que acabamos de gerar no PrusaSlicer. Eles são um pouco pesados, mas o software lida com isso graciosamente. O STL é fatiado com sucesso com apenas alguns avisos, na maioria sobre a incapacidade da impressora de criar recursos menores do que o tamanho do bocal.

Conclusões

Ao trabalhar com o recurso MCAD CoDesigner no Concord Pro no Altium 365, é possível pegar o layout da sua PCB e criar arquivos de malha para impressão 3D de PCBs antes de uma corrida de prototipagem. Usando o software gratuito mostrado acima, você poderia converter modelos STEP do layout da sua PCB Altium para formatos de impressão 3D padrão da indústria, como STL. Isso proporciona uma verificação dimensional rápida e eficaz quando sua placa (incluindo componentes) é impressa em 3D como um modelo de plástico.

Impressoras 3D mais avançadas, como as da Nano Dimension e Optomec, podem ser usadas para imprimir uma placa de circuito totalmente funcional a partir de arquivos STL. Se você seguir este caminho, precisará exportar apenas a placa nua como um modelo STEP e convertê-lo para um arquivo de malha STL para gerar instruções de impressão. Se você tem uma impressora 3D ou não, pode conferir a página do produto Altium Concord Pro para aproveitar a integração entre o Altium 365 e aplicativos MCAD populares como SolidWorks, PTC Creo e Autodesk Inventor.

Gostaria de saber mais sobre como a Altium pode ajudá-lo com seu próximo design de PCB? Fale com um especialista na Altium.