3D печать печатных плат и создание моделей для печати

Altium Concord Pro™ как самостоятельный продукт и торговая марка были сняты с производства, и теперь их возможности доступны в рамках наших корпоративных решений Altium. Узнайте больше здесь.

Мне очень нравится работать с Altium Concord Pro®, размещенным в облаке Altium 365® в последнее время. Одной из лучших функций Altium 365 является поддержка механического сотрудничества с SolidWorks, PTC Creo и Autodesk Inventor. Благодаря функциям размещения проектов через Altium 365, легко открыть общий проект в Altium Designer и импортировать его в одно из этих популярных приложений MCAD.

Altium Designer был первым программным обеспечением в индустрии ECAD, которое серьезно взялось за 3D. Большинство программного обеспечения ECAD всегда предлагало какой-то вариант экспорта в 3D, но на мой взгляд, эти функции часто были полузаконченными попытками, предназначенными в лучшем случае для проверки, поместится ли плата в корпус. Altium Designer предлагает полностью интегрированную среду, где 2D и 3D работают рука об руку, и вы можете выполнять функции размещения в 2D в 3D-просмотре MCAD в Altium Designer. Подход, ориентированный на 3D, всегда был одной из сильных сторон платформы и одной из многих причин, по которым я всегда выбирал Altium Designer в качестве своего основного программного обеспечения для ECAD.

Эта функция неоднократно спасала жизнь при работе в индустрии инверторов мощности. Инверторы мощности имеют громоздкие электролитические конденсаторы, катушки PFC, рассеивающие значительные количества энергии, и силовые модули, контакты которых едва позволяют соответствовать требованиям изоляции. Все эти компоненты часто необходимо размещать в непосредственной близости от конденсаторов размером с банку колы.

Расширение MCAD Altium CoDesigner поставляется в комплекте с каждым аккаунтом Concord Pro на Altium 365 и обеспечивает бесперебойную интеграцию и сотрудничество между механической и электронной инженерией. Процесс проектирования силовой электроники по своей сути трехмерен; физика не заботится о нашей любви к изображению вселенной на плоских листах бумаги. Сложные модели тепло- и зарядопереноса в силовых приборах необходимо моделировать, анализировать и понимать в 3D для обеспечения конкурентоспособного времени выхода на рынок и компактных размеров. Altium Designer позволяет мне делать это на каждом этапе процесса проектирования.

Что насчет 3D печати печатных плат?

Тем не менее, есть часть головоломки, которая не вписывается. Мне бы очень хотелось иметь физические 3D-прототипы моих плат в то же время, когда в моем 3D-принтере печатаются механические прототипы корпусов. Если вы хотите печатать печатные платы или корпуса для них в 3D, вам нужно сгенерировать инструкции для печати вашего дизайна, либо с помощью стандартного приложения MCAD, либо с помощью генератора сетчатых файлов.

Многие пытались преобразовать 3D-выводы STEP от Altium Designer в стандартные форматы для индустрии 3D-печати, такие как STL или OBJ, с переменным успехом. Получаемые файлы часто бывают очень тяжелыми и подвержены ошибкам при импорте в программное обеспечение для 3D-печати. Некоторые компании, производящие 3D-принтеры, имеют программное обеспечение, которое может преобразовать ваш дизайн в один из этих форматов или в собственный формат, но эти результаты предназначены для конкретных 3D-принтеров, а не являются универсальными.

Некоторые компоненты часто исчезают полностью, и я могу подтвердить, что это происходит чаще всего с разъемами, возможно, самым критическим компонентом в механической интеграции. Проблема сохраняется при использовании 3D CAD, таких как Solidworks или PTC Creo. В этой статье вы можете узнать, почему это происходит и как с этим бороться. Спойлер: в этом нет вины Altium.

Что такое файл сетки?

Файл сетки, или более точно, файл полигональной сетки, содержит вершины, рёбра и грани, которые вместе определяют форму 3D-объекта. Цель создания файла сетки заключается в воссоздании 3D-объекта с помощью этих полигонов так, чтобы мы приблизительно воспроизвели истинную форму как комбинацию полигонов.

В математических терминах получаемый объект представляет собой очень странный многогранник, чаще всего состоящий из огромного количества треугольников с перекрывающимися вершинами. Треугольники наиболее часто используются для представления сложных 3D структур, поскольку они могут очень хорошо аппроксимировать кривые, в то время как кубы или параллелепипеды оставляют зазубренные края вдоль изогнутой поверхности.

Форматы файлов сетки

Наиболее распространенные форматы файлов сетки, используемые в 3D печати, это STL, OBJ, AMF и 3MF.

• STL является де-факто стандартом для современных доступных 3D принтеров. Он поддерживает только самую базовую геометрическую информацию, но не может кодировать цвет или дополнительные метаданные. Формат появился вместе с первым коммерческим 3D принтером в 1987 году, SLA-1. Индустрия давно установила STL как стандарт, но формат подвержен ошибкам, и результирующие файлы могут быть тяжелыми и медленными для чтения.
• OBJ является более современной альтернативой, которая позволяет хранить данные о цвете, и поддерживает более продвинутые поверхности, чем треугольные сетки STL, и используется в основном с цветными 3D принтерами.
• AMF был представлен как стандартный файловый формат ASTM для 3D печати в 2011 году и предназначался быть альтернативой стандартному формату STL.
• 3MF в последние годы обогнал AMF, который является открытым и поддерживается множеством производителей 3D-принтеров и разработчиков программного обеспечения.

Altium Designer может экспортировать данные 3D-платы в форматах файлов STEP 3D, Parasolid или VRML, ни один из которых не является форматом сетки и не может быть использован для генерации инструкций 3D-печати для печатных плат. Мы будем использовать функцию экспорта STEP в Altium Designer как нашу отправную точку, поскольку файлы STEP являются стандартом отрасли для обмена 3D-данными. Нашей целевой формат для этой демонстрации будет STL. Будучи самым старым и простым доступным форматом, его легко преобразовать в любой другой формат, и он поддерживается практически всеми 3D-принтерами.

Требования к файлам сетки для 3D-печати печатных плат

Приложение для срезки - это программное обеспечение, отвечающее за преобразование 3D-моделей в объекты реального мира. Как следует из названия, оно работает, разбивая объект на серию горизонтальных слоёв.

Горизонтальное срезание пирамидальной формы

На рынке существует множество 3D-принтеров, и разные принтеры могут использовать различные технологии печати. Наиболее распространенным процессом является моделирование методом наплавления (FDM), который используется в обычных принтерах с пластиковыми нитями. Принтеры FDM работают, выдавливая и нанося нагретую пластиковую нить по горизонтальному узору, а 3D-структура создается путем нанесения последовательных слоев.

Программы-срезальщики для FDM создают серию траекторий для экструдера. Каждый слой обычно состоит из двух или более внешних контуров, определяющих форму объекта. Внутренняя заполненная структура используется для обеспечения механической жесткости и поддержки следующих слоев.

Первый и последний слой, соответственно на нижней и верхней части получаемого объекта, обычно заполняются полностью. Промежуточные слои обычно заполняются только частично, чтобы сократить время печати, стоимость материала и вес готового продукта.

Для того чтобы срезальщик мог выполнить свою работу, модель должна быть математическим многообразием. В ограниченном сценарии 3D-сеток это означает, что все края должны соединяться ровно с двумя гранями. Многие 3D-модели могут иметь особенности, выходящие за рамки этого требования.

• Открытые тела или, например, куб с удаленной гранью.
• Плоскости
• Поверхности или тела, соединенные одной вершиной или тела, соединенные одним ребром
• Внутренние грани
• Противоположные нормали; грани имеют направление, и все они должны быть направлены наружу, чтобы модель можно было напечатать на 3D-принтере

Создание моделей последнего поколения для 3D печати печатных плат

До введения описываемой здесь техники вам было бы необходимо, чтобы каждый компонент состоял только из идеальных 3D тел и высокоточных STEP файлов, если вы хотите напечатать свои конструкции на 3D-принтере. Каждый компонент должен быть немного поднят от платы или расположен идеально, ни при каких обстоятельствах не пересекаясь с телом платы. Контакты должны попадать в каждое сквозное отверстие.

Многие 3D модели, особенно те, что предоставляют производители, не соответствуют этим требованиям. Вот некоторые примеры проблем, с которыми я столкнулся в последние пару месяцев:

• Электролитический конденсатор с пластиковыми выступами, которые могут легко пересекаться с платой
• Чип-резистор SMD, основное керамическое тело которого нарисовано как твердое, но металлические контакты нарисованы как открытые грани
• Разъемы, в которых контакты пересекают основное тело
• Разъемы, в которых согнутые металлические контакты представлены в виде граней
• DIP корпуса, нарисованные с контактами под углом

Altium Designer полностью поддерживает все общие объекты внутри 3D STEP-файлов и без проблем принимает любую 3D-модель, которую мы на него направляем. В отличие от этого, программное обеспечение для 3D печати может работать только с идеально сформированными замкнутыми телами.

Что происходит при использовании обычных конвертеров из STEP в STL

В этом примере я взял мой любимый демонстрационный дизайн. Этот аналоговый дисплей был создан в качестве прототипа в рамках портфолио платформы микроволновой оптики моей компании и экспортирован в виде STEP-файла. Я попытался конвертировать файл с помощью некоторых популярных конвертеров из STEP в STL. Все эти конвертеры без проблем справились с механическими компонентами, но когда дело дошло до экспортированного STEP-файла для печатной платы, результаты оказались смешанными.

• Makexyz.com: Конвертация завершилась без ошибок, но результирующий файл имеет размер всего 84 байта и не содержит данных.
• Siemens NX: Я попросил коллегу использовать Siemens NX, который применяется для работы с сборками контейнеровозов. Он сообщил, что Siemens NX корректно импортировал STEP-файл, но мог сгенерировать STL-файл только для одного компонента за раз, а не для всей платы. Чтобы экспортировать плату как единое тело, необходима операция сшивания, но процесс частично ручной и требует слишком много времени для электронной платы с сотнями компонентов.
• Craftcloud: Craftcloud сообщает об ошибке «Не удалось загрузить».

Преобразование файлов Altium Designer в формат STL

Чтобы успешно преобразовать ваши файлы печатной платы в формат STL, нам нужно сделать шаг дальше, чем стандартное программное обеспечение для создания сеток. Я задал себе вопрос, какое программное обеспечение, использующее данные сетки, самое прихотливое? Такое программное обеспечение, в котором ничего не работает, если сетка не идеальна? Которое устроит истерику, если вы подадите ему одну перевернутую грань, и зависнет так сильно, что весь ваш компьютер станет непригодным для использования на 15 минут? МКЭ. Метод конечных элементов.Если вы используете что-то вроде Ansys, вы, возможно, уже знакомы с программным обеспечением МКЭ для структурного, теплового, гидродинамического или электромагнитного моделирования.

Полевой решатель, используемый в программном обеспечении для симуляции МКЭ, требует идеальных сеток. Где-то в каждом комплекте МКЭ есть алгоритмы создания сеток, которые оставляют стандартное программное обеспечение для создания сеток далеко позади, возможно, скрытые в меню импорта/экспорта.

К сожалению, комплекты программного обеспечения МКЭ могут быть чрезвычайно дорогими, часто во много раз дороже лицензии Altium Designer. К счастью, на помощь пришло программное обеспечение с открытым исходным кодом под названием Gmsh. Программное обеспечение можно скачать [здесь] и оно распространяется под лицензией GNU General Public License, что означает, что его можно бесплатно использовать как для личных, так и для коммерческих проектов.

Использование графического интерфейса

Чтобы конвертировать файл STEP в STL с помощью графического интерфейса, можно следовать этому процессу:

• Открыть файл (файл, открыть). Это может занять до 10 минут
• Запустить объемное сетчатое моделирование. (Модули, Сетка, 3D)
• Сохранить как STL (Файл, Экспорт)

Процесс сетчатого моделирования может занять много времени, даже полчаса для плат с множеством компонентов.

Статус конвертации отображается на нижней панели.

Использование командной строки

Аналогично работе с графическим интерфейсом, мы можем использовать командную строку для выполнения конвертации, открыв командную строку в нужной директории и выполнив следующую команду:

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

Файл входа STEP должен быть размещен в той же директории, что и ghsm.exe, чтобы эта команда работала.

3D печать ваших печатных плат

Я гордый владелец Prusa MK3, одного из самых популярных 3D-принтеров на рынке. Если вы видите оранжевый принтер, который выглядит как что-то вроде игрушки для мейкеров, это Prusa. Но не стоит позволять первому впечатлению ввести вас в заблуждение; этот принтер - способный и хорошо спроектированный инструмент, гораздо более продвинутый, чем многие его более промышленно выглядящие аналоги.

Принтер имеет полностью открытую аппаратную конструкцию и программное обеспечение с открытым исходным кодом. Слайсер, называемый PrusaSlicer, является одним из лучших на рынке. Я импортировал STL-файлы, которые мы только что сгенерировали в PrusaSlicer. Они немного тяжеловаты, но программное обеспечение справляется с ними изящно. STL успешно слайсится только с несколькими предупреждениями, в основном о невозможности принтера создать детали меньше, чем размер сопла.

Выводы

При работе с функцией MCAD CoDesigner в Concord Pro на Altium 365, можно взять вашу компоновку печатной платы и создать сеточные файлы для 3D печати печатных плат перед прототипированием. Используя бесплатное программное обеспечение, показанное выше, вы можете конвертировать STEP модели вашей компоновки печатной платы Altium в стандартные форматы 3D печати, такие как STL. Это обеспечивает быструю и эффективную проверку размеров, когда ваша плата (включая компоненты) печатается на 3D принтере как пластиковая модель.

Более продвинутые 3D принтеры, такие как от Nano Dimension и Optomec, могут использоваться для печати полностью функциональной печатной платы из файлов STL. Если вы выберете этот путь, вам нужно будет экспортировать только голую плату как STEP модель и конвертировать ее в сеточный файл STL для генерации инструкций печати. Независимо от того, есть у вас 3D принтер или нет, вы можете посетить страницу продукта Altium Concord Pro, чтобы воспользоваться интеграцией между Altium 365 и популярными MCAD приложениями, такими как SolidWorks, PTC Creo и Autodesk Inventor.

Хотите узнать больше о том, как Altium может помочь вам с вашим следующим проектом печатной платы? Обратитесь к эксперту в Altium.