In ấn 3D PCB và Tạo mô hình in ấn

Altium Concord Pro™ như một sản phẩm và thương hiệu độc lập đã ngừng phát hành và các khả năng của nó giờ đây có sẵn như một phần của giải pháp doanh nghiệp Altium của chúng tôi. Tìm hiểu thêm tại đây.

Tôi đã thích thú khi làm việc với Altium Concord Pro® được lưu trữ trên đám mây Altium 365® gần đây. Một trong những tính năng tốt nhất của Altium 365 là hỗ trợ hợp tác cơ khí với SolidWorks, PTC Creo và Autodesk Inventor. Nhờ vào các tính năng lưu trữ dự án thông qua Altium 365, việc mở một dự án chia sẻ trong Altium Designer và nhập nó vào một trong những ứng dụng MCAD phổ biến này trở nên dễ dàng.

Altium Designer® là phần mềm đầu tiên trong ngành ECAD chú trọng nghiêm túc vào 3D. Hầu hết phần mềm ECAD luôn tích hợp một số loại xuất khẩu 3D, nhưng theo quan điểm cá nhân của tôi, các tính năng thường là những nỗ lực nửa vời, chủ yếu để kiểm tra xem bo mạch có vừa với vỏ máy không. Altium Designer cung cấp một môi trường tích hợp đầy đủ nơi mà 2D và 3D đi đôi với nhau, và bạn có thể thực hiện các chức năng bố trí 2D trong góc nhìn MCAD 3D trong Altium Designer. Cách tiếp cận ưu tiên 3D luôn là một trong những điểm mạnh của nền tảng và là một trong nhiều lý do tôi luôn chọn Altium Designer là phần mềm ECAD ưu tiên của mình.

Tính năng này đã là cứu cánh tuyệt vời trong nhiều trường hợp khi làm việc trong ngành công nghiệp biến tần. Các biến tần công suất có các tụ điện lớn, cuộn PFC tỏa ra một lượng năng lượng đáng kể, và các mô-đun công suất có chân vừa đủ để đáp ứng các yêu cầu cách ly. Tất cả các linh kiện này thường cần được lắp đặt gần các tụ điện có kích thước bằng một lon Coke.

Tiện ích mở rộng MCAD Altium CoDesigner được kèm theo với mỗi tài khoản Concord Pro trên Altium 365, và nó cho phép tích hợp và hợp tác liền mạch giữa kỹ thuật cơ khí và kỹ thuật điện tử. Quá trình thiết kế điện tử công suất vốn dĩ là ba chiều; vật lý không quan tâm đến sự yêu thích của chúng ta trong việc đặt vũ trụ lên những tờ giấy phẳng. Các mô hình truyền nhiệt và truyền điện phức tạp của thiết bị điện cần được mô phỏng, phân tích và hiểu biết trong 3D để cho phép thời gian ra thị trường cạnh tranh và hình dạng nhỏ gọn. Altium Designer cho phép tôi làm điều đó trong mỗi giây của quá trình thiết kế.

Về In 3D PCBs?

Tuy nhiên, vẫn còn một mảnh ghép không khớp. Tôi rất muốn có các mẫu vật lý 3D của bảng mạch của mình vào cùng thời điểm các mẫu vật lý cơ khí của vỏ máy đang được in trong máy in 3D của tôi. Nếu bạn muốn in 3D PCBs hoặc vỏ cho PCBs của mình, bạn cần tạo hướng dẫn in cho thiết kế của mình, hoặc bằng một ứng dụng MCAD tiêu chuẩn hoặc một trình tạo tệp lưới.

Nhiều người đã cố gắng chuyển đổi đầu ra STEP 3D của Altium Designer sang các định dạng tiêu chuẩn cho ngành in 3D, như STL hoặc OBJ, với kết quả không nhất quán. Các tệp kết quả thường rất nặng và dễ gặp lỗi khi được nhập vào phần mềm in 3D. Một số công ty máy in 3D có phần mềm có thể chuyển đổi thiết kế của bạn thành một trong những định dạng này hoặc một định dạng độc quyền, nhưng những đầu ra này được thiết kế cho các máy in 3D cụ thể chứ không phải là đầu ra phổ quát.

Một số linh kiện thường biến mất hoàn toàn, và tôi có thể chứng thực rằng điều này dường như xảy ra thường xuyên hơn với các bộ kết nối, có lẽ là linh kiện quan trọng nhất trong tích hợp cơ khí. Vấn đề vẫn tồn tại khi qua 3D CAD như Solidworks hoặc PTC Creo. Trong bài viết này, bạn có thể tìm hiểu tại sao điều đó xảy ra và cách giải quyết nó. Cảnh báo trước: đó không phải là lỗi của Altium.

File Mesh là gì?

File mesh, hay chính xác hơn là file mesh đa giác, chứa các đỉnh, cạnh và mặt tạo nên hình dạng của một đối tượng 3D. Mục tiêu khi tạo một file mesh là tái tạo đối tượng 3D với những đa giác này sao cho chúng ta gần đúng hình dạng thực sự như một sự kết hợp của các đa giác.

Trong thuật ngữ toán học, đối tượng kết quả là một đa diện kỳ lạ, thường được tạo thành từ một số lượng lớn các tam giác với các đỉnh chồng lên nhau. Tam giác thường được sử dụng để biểu diễn các cấu trúc 3D phức tạp vì chúng có thể mô phỏng các đường cong một cách rất tốt, trong khi các hình lập phương hoặc hình hộp không đều để lại các cạnh góc cạnh trên bề mặt cong.

Định dạng File Lưới

Các định dạng file lưới phổ biến nhất được sử dụng trong in 3D là STL, OBJ, AMF và 3MF.

• STL là tiêu chuẩn không chính thức cho các máy in 3D giá cả phải chăng hiện đại. Nó chỉ hỗ trợ thông tin hình học cơ bản nhất, nhưng không thể mã hóa màu sắc hoặc metadata bổ sung. Định dạng này có từ chiếc máy in 3D thương mại đầu tiên vào năm 1987, SLA-1. Ngành công nghiệp đã lâu dài chấp nhận STL là một tiêu chuẩn, nhưng định dạng này dễ gặp lỗi, và các file kết quả có thể nặng và chậm để đọc.
• OBJ là một lựa chọn hiện đại hơn cho phép lưu trữ dữ liệu màu sắc, và nó hỗ trợ các bề mặt tiên tiến hơn so với các lưới tam giác của STL và thường được sử dụng với các máy in 3D màu.
• AMF được giới thiệu là định dạng file tiêu chuẩn ASTM cho in 3D vào năm 2011 và được dự định là một lựa chọn thay thế cho định dạng tiêu chuẩn STL.
• 3MF đã vượt qua AMF trong những năm gần đây, đây là nguồn mở và được hỗ trợ bởi nhiều nhà sản xuất máy in 3D và các công ty phần mềm.

Altium Designer có thể xuất dữ liệu bảng mạch 3D dưới dạng các định dạng tệp STEP 3D, Parasolid hoặc VRML, tất cả đều không phải là định dạng tệp lưới và không thể được sử dụng để tạo ra hướng dẫn in 3D cho PCB. Chúng tôi sẽ sử dụng tính năng xuất STEP trong Altium Designer làm điểm xuất phát vì các tệp STEP là tiêu chuẩn công nghiệp cho trao đổi dữ liệu 3D. Định dạng mục tiêu của chúng tôi sẽ là STL cho bài trình bày này. Là định dạng cũ nhất và đơn giản nhất có sẵn, nó dễ dàng được chuyển đổi sang bất kỳ định dạng nào khác và được hỗ trợ bởi hầu hết tất cả máy in 3D.

Yêu cầu Tệp Lưới cho In 3D PCB

Một ứng dụng slicer là phần mềm chịu trách nhiệm chuyển đổi mô hình 3D thành các đối tượng thực tế. Như tên gọi, nó hoạt động bằng cách cắt đối tượng thành một loạt các lớp ngang.

Cắt Ngang Hình Dạng Kim Tự Tháp

Có nhiều máy in 3D trên thị trường, và các máy in khác nhau có thể sử dụng các quy trình in khác nhau. Quy trình phổ biến nhất là mô hình hóa ký gửi nhiệt (FDM), đây là quy trình giống như được sử dụng với các máy in sợi nhựa thông thường. Máy in FDM hoạt động bằng cách đẩy và đặt một sợi nhựa nóng chảy theo một mô hình ngang, và cấu trúc 3D được xây dựng lên bằng cách đặt chồng lên nhau từng lớp.

Các slicer FDM tạo ra một loạt các đường dẫn cho đầu phun theo dõi. Mỗi lớp thường bao gồm hai hoặc nhiều vòng ngoài xác định hình dạng của đối tượng. Một cấu trúc lấp đầy bên trong được sử dụng để đảm bảo độ cứng vững cơ học và hỗ trợ các lớp tiếp theo.

Lớp đầu tiên và lớp cuối cùng, tương ứng ở phía dưới và trên cùng của đối tượng kết quả, thường được lấp đầy hoàn toàn. Các lớp trung gian thường chỉ được lấp đầy một phần để giảm thời gian in, chi phí vật liệu, và trọng lượng của sản phẩm hoàn thành.

Để slicer thực hiện công việc của mình, mô hình phải là một manifold toán học. Trong kịch bản hạn chế của lưới 3D, điều này có nghĩa là tất cả các cạnh phải kết nối với hai và chỉ hai mặt. Nhiều mô hình 3D có thể trình bày các đặc điểm nằm ngoài yêu cầu này.

• Cơ thể mở hoặc ví dụ một khối lập phương với một mặt bị loại bỏ.
• Mặt phẳng
• Bề mặt hoặc thân được kết nối bởi một đỉnh duy nhất hoặc thân được kết nối bởi một cạnh duy nhất
• Mặt bên trong
• Pháp tuyến đối diện; các mặt có một hướng, và tất cả phải hướng ra ngoài để mô hình có thể được in 3D

Phát triển Mô hình Nghệ thuật cho In 3D PCB

Trước khi giới thiệu kỹ thuật được giải thích ở đây, bạn sẽ cần mỗi thành phần phải được làm từ các thân 3D hoàn hảo và các tệp STEP chính xác cao nếu bạn muốn in 3D thiết kế của mình. Mỗi thành phần sẽ cần được nâng lên một chút từ bảng mạch hoặc được đặt hoàn hảo, không được phép giao nhau với thân bảng mạch. Các chân cắm sẽ cần phải vừa khít vào mỗi lỗ thông.

Nhiều mô hình 3D, đặc biệt là những mô hình do nhà sản xuất cung cấp, không đáp ứng được những yêu cầu này. Dưới đây là một số ví dụ về vấn đề tôi gặp phải trong vài tháng qua:

• Một tụ điện điện phân với các chốt nhựa có thể dễ dàng giao nhau với bảng mạch
• Một điện trở chip SMD có thân chính bằng gốm được vẽ như một khối rắn, nhưng với các tiếp điểm kim loại được vẽ như các mặt mở
• Các kết nối nơi các chân cắm giao nhau với thân chính
• Các kết nối nơi các tiếp điểm kim loại gấp được biểu diễn như các mặt
• Các gói DIP được vẽ với các chân ở một góc

Altium Designer hỗ trợ đầy đủ mọi đối tượng phổ biến trong các tệp 3D STEP và dễ dàng chấp nhận bất kỳ mô hình 3D nào mà chúng tôi đưa vào mà không gặp phải bất kỳ lỗi nào. Ngược lại, phần mềm in 3D chỉ có thể làm việc với các thân thể đóng hoàn hảo.

Điều gì xảy ra với các Bộ chuyển đổi STEP sang STL phổ biến

Trong ví dụ này, tôi đã chọn thiết kế demo ưa thích của mình. Màn hình analog này đã được tạo mẫu như một phần của danh mục Nền tảng Quang học Vi sóng của công ty tôi và đã xuất nó dưới dạng tệp STEP. Tôi đã thử chuyển đổi tệp qua một số bộ chuyển đổi STEP sang STL phổ biến. Tất cả các bộ chuyển đổi này đều xử lý các thành phần cơ khí một cách dễ dàng, nhưng khi đối mặt với tệp STEP xuất cho một PCB, kết quả là không nhất quán.

• Makexyz.com: Quá trình chuyển đổi hoàn tất mà không có lỗi, nhưng tệp kết quả chỉ có kích thước 84 byte và không chứa dữ liệu nào.
• Siemens NX: Tôi đã nhờ một đồng nghiệp sử dụng Siemens NX, được dùng để xử lý các bộ lắp ráp tàu container. Anh ấy báo cáo rằng Siemens NX đã nhập tệp STEP một cách chính xác nhưng chỉ sẽ tạo tệp STL cho một thành phần tại một thời điểm chứ không phải toàn bộ bảng mạch. Để xuất bảng mạch dưới dạng một thân thể đơn, cần có một thao tác khâu, nhưng quy trình này một phần là thủ công và đòi hỏi quá nhiều thời gian đối với một bảng mạch điện tử với hàng trăm thành phần.
• Craftcloud: Craftcloud báo lỗi “Tải lên thất bại”.

Chuyển đổi Tệp Altium Designer Sang Định dạng STL

Để chuyển đổi tệp PCB của bạn sang định dạng STL thành công, chúng ta cần phải tiến xa hơn so với phần mềm tạo lưới tiêu chuẩn. Tôi tự hỏi, phần mềm nào khắt khe nhất khi sử dụng dữ liệu lưới? Loại phần mềm mà không hoạt động nếu lưới không hoàn hảo? Loại sẽ phản ứng dữ dội nếu bạn cung cấp cho nó một mặt bị lật và gây ra sự cố nặng đến mức máy tính của bạn trở nên không thể sử dụng trong 15 phút? FEM. Mô phỏng Phương pháp Phần tử Hữu hạn.Nếu bạn sử dụng một cái gì đó như Ansys, có thể bạn đã quen với phần mềm FEM cho mô phỏng cấu trúc, nhiệt, động lực học chất lỏng hoặc điện từ.

Trình giải quyết trường sử dụng trong phần mềm mô phỏng FEM yêu cầu lưới hoàn hảo. Ở đâu đó trong mỗi bộ FEM, có các thuật toán tạo lưới để phần mềm tạo lưới đơn giản phải chào thua, có thể được ẩn dưới menu nhập/xuất.

Thật không may, các bộ phần mềm FEM có thể rất đắt đỏ, thường nhiều lần chi phí của một giấy phép Altium Designer. May mắn thay, phần mềm mã nguồn mở có tên Gmsh đã giúp tôi. Phần mềm có thể được tải xuống [tại đây] và được cấp phép theo Giấy phép Công cộng GNU, có nghĩa là nó miễn phí để sử dụng cho cả dự án cá nhân và thương mại.

Sử dụng GUI

Để chuyển đổi một tệp STEP sang STL bằng GUI, bạn có thể theo dõi quy trình sau:

• Mở tệp (file, open). Quá trình này có thể mất đến 10 phút
• Chạy quá trình tạo lưới thể tích. (Modules, Mesh, 3D)
• Lưu thành STL (File, Export)

Quá trình tạo lưới có thể mất nhiều thời gian, thậm chí nửa giờ đối với các bảng mạch có nhiều thành phần.

Trạng thái của quá trình chuyển đổi được báo cáo ở thanh dưới cùng.

Sử dụng Dòng Lệnh

Tương tự như hoạt động GUI, chúng ta có thể sử dụng dòng lệnh để thực hiện việc chuyển đổi, bằng cách mở cửa sổ lệnh vào thư mục đúng và phát ra lệnh sau:

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

Tệp nhập STEP file nên được đặt trong cùng một thư mục với ghsm.exe để lệnh này hoạt động.

In 3D Các Bảng Mạch PCB của Bạn

Tôi là chủ nhân tự hào của một chiếc Prusa MK3, một trong những máy in 3D phổ biến nhất trên thị trường. Nếu bạn thấy một chiếc máy in màu cam trông giống như một đồ chơi của người làm, đó là Prusa. Nhưng bạn không nên để bản thân bị lừa bởi ấn tượng đầu tiên; chiếc máy in này là một công cụ có khả năng và được thiết kế tốt, hơn nhiều so với nhiều đối thủ có vẻ ngoài công nghiệp hơn.

Máy in có thiết kế phần cứng hoàn toàn mở và phần mềm nguồn mở. Phần mềm cắt gọi là PrusaSlicer là một trong những phần mềm tốt nhất trên thị trường. Tôi đã nhập các tệp STL mà chúng tôi vừa tạo trong PrusaSlicer. Chúng hơi nặng, nhưng phần mềm xử lý một cách nhẹ nhàng. STL được cắt thành công chỉ với một vài cảnh báo, chủ yếu về khả năng máy in không tạo được các đặc điểm nhỏ hơn kích thước đầu phun.

Kết luận

Khi làm việc với tính năng MCAD CoDesigner trong Concord Pro trên Altium 365, bạn có thể chuyển bố cục PCB của mình và tạo các tệp lưới cho việc in 3D PCB trước khi chạy mẫu thử. Sử dụng phần mềm miễn phí được hiển thị ở trên, bạn có thể chuyển đổi các mô hình STEP của bố cục PCB Altium của mình thành các định dạng in 3D tiêu chuẩn của ngành như STL. Điều này cung cấp một kiểm tra kích thước nhanh chóng và hiệu quả khi bảng mạch của bạn (bao gồm cả các thành phần) được in 3D dưới dạng mô hình nhựa.

Máy in 3D tiên tiến hơn, như những cái từ Nano Dimension và Optomec, có thể được sử dụng để in một bảng mạch hoàn chỉnh từ các tệp STL. Nếu bạn đi theo hướng này, bạn sẽ cần xuất chỉ bảng mạch trần dưới dạng một mô hình STEP và chuyển đổi nó thành tệp lưới STL để tạo ra hướng dẫn in. Dù bạn có máy in 3D hay không, bạn có thể xem trang sản phẩm Altium Concord Pro để tận dụng tích hợp giữa Altium 365 và các ứng dụng MCAD phổ biến như SolidWorks, PTC Creo và Autodesk Inventor.

Bạn có muốn tìm hiểu thêm về cách Altium có thể giúp bạn với thiết kế PCB tiếp theo của mình không? Hãy nói chuyện với một chuyên gia tại Altium.