3D-печать в радиоэлектронике

3D принтер несомненно отличное устройство, для многих ставшее незаменимым. И количество новых сфер применения 3D печати постоянно увеличивается. В этом материале мы затронем тему производства печатных плат и корпусов РЭА с применением 3D принтеров.

Для начала рассмотрим все методы создания печатных плат (далее ПП).

Производство ПП

Любители радиоэлектроники часто мечтают о неком устройстве для производства печатных плат дома. Безусловно, существует великая технология “ЛУТ” (лазерно-утюжная технология), а также классический фоторезист. Но часто лень со всем этим возиться, хочется чтобы кто то сделал все за тебя.

И есть несколько направлений по созданию ПП:

• Удаление токопроводящего слоя. Фрезеровка или скобление медного слоя стеклотекстолита.
• Удаление защитного слоя с поверхности стеклотекстолита.
• Засветка фоторезиста 
• Нанесение защитного слоя на стеклотекстолит. 
• Непосредственная печать токопроводящих и диэлектрических дорожек на поверхности разных материалов.
• Заполнение полостей токопроводящим материалом.

Удаление токопроводящего слоя. Фрезеровка или скобление медного слоя стеклотекстолита

Этот метод наиболее простой, и имея даже очень хлипкий и дешевый фрезер справиться с этой задачей. Многие энтузиасты даже ставят маленький гравер на свои 3D принтеры и успешно фрезеруют ПП. Забегая вперед, скажем, что фрезер на основе 3D-принтера способен только на фрезеровку ПП, не более того. Фрезерный станок и 3D-принтер это разные устройства, хотя, многие производители пытаются их объединить.

Roland EGX-400

Цена: 598 300 рублей. Размер рабочего поля: 407 x 305 x 42,5 мм; Мощность шпинделя: 72 Вт, 30000 об/мин; Количество осей: 3

EGX-400 – профессиональный гравировальный станок Roland, созданный специально для высокоскоростной гравировки. Благодаря высокоскоростному шпинделю с частотой вращения до 30 000 об/мин, серводвигателям по всем осям и технологии FFP (Feed Forward Processing) просматривающей программу на несколько шагов вперед и позволяющий достичь высокой скорости и плавности перемещиня на кривых Roland EGX-400 является лидером в своем классе

Roland EGX-600

Цена: 799 800 рублей. Размер рабочего поля: 610 x 407 x 42,5 мм; Мощность шпинделя: 70 Вт, 30000 об/мин; Количество осей: 3

EGX-600 - это мощный и высокоточный гравировальный станки Roland серии CAMM-2 PRO с сервоприводами для профессиональной 2D/3D гравировки и фрезерования по доступной цене. EGX PRO - серия гравировальных станков, оснащенная передовыми промышленными технологиями с мощностью, размерами стола и скоростью профессиональных гравировальных машин, но по доступным ценам. EGX-600 оснащен шпиделем мощностью 70 Ватт и скоростью вращения 30'000 об/мин. Станки EGX-600 идеально подходят для изготовления высокоточных типографских штампов для тиснения и конгрева. Кроме того станки гравируют именные таблички, бирки, медальоны, трехмерные надписи, приборные панели, печатные платы и многое другое.

Как видно, станки не самые дешевые, и мало кто из радиолюбителей смогут их себе позволить. Но все же инструкция для подготовки схемы к фрезеровке в этой статье: “Печатная плата дома, или как изготовить печатную плату дома с использованием станка ЧПУ.”

Одним фрезером данный метод не ограничивается, также можно использовать достаточно мощный лазер для прожига дорожек, либо процарапать дорожки иглой. А можно использовать метод электроэрозии.

Лазерная гравировка ПП

Последний способ достаточно спорный и больше подходит для следующего метода.

Удаление защитного слоя с поверхности стеклотекстолита

Как раз метод удаления краски при помощи иглы продемонстрирован в данном видео:

В качестве защитного слоя используется перманентный маркер, а сам станок - ни что иное, как 3D принтер.

Точно так же, можно использовать любой лазерный модуль для прожига верхнего защитного слоя, с последующем травлением.

Засветка фоторезиста

Казалось бы, данный метод давно известен и что можно придумать нового? Но и здесь к нам на помощь приходит любое устройство с ЧПУ. Ведь лазером можно не только прожигать плату или защитный слой, но и засвечивать необходимые участки нашей платы с фоторезистом. Вот несколько проектов для примера:

LaserExposer - для получения изображения используется лазерная развертка от принтера. если совсем немного поколдовать, можно из этого устройства сделать хороший фотополимерный 3D принтер.

DiyouPCB - в данном случае механика и электроника попроще. Но использован все тот же принцип. Лазерный диод взят из головки BlueRay привода.

Нанесение защитного слоя на стеклотекстолит

Данный метод можно назвать одним из самых простых, вместо гравера, лазера или печатающей головки прикрепляем обычный перманентный маркер и рисуем нашу плату. Несмотря на простоту, таким способом очень сложно развести плату с тонкими дорожками, все ограничение в толщине стержня маркера.

Не стоит забывать о нашем старом друге, обычном струйном принтере для бумаги: многие переделывают старую технику под создание печатных плат. Подробнее читайте в статье ”Прямая струйная печать шаблона печатных плат”.

Непосредственная печать токопроводящих и диэлектрических дорожек на поверхности разных материалов

Наиболее близкий к теме 3D печати метод создания ПП и, в некоторых случаях, сразу корпуса. Давайте начнем с наиболее простых устройств:

Рисование на поверхности текстолита позволяет не только нанести защитный слой, но и “распечатать” токопроводящий.

Как известно, графит является проводником, что позволяет на листе бумаги нарисовать печатную плату. Да, графит не лучший проводник и почти наверняка такая плата не будет работать, но карандаш можно заменить на маркер с серебряными чернилами, как это было реализовано в принтере Ex1 PCB

И, подходя совсем близко к 3D-принтерам, хотим вам представить два похожих проекта:

Voltera: Your Circuit Board Prototyping Machine - устройство, которое способно печатать токопроводящей пастой или наносить припой для запекания в печи. Его стоимость - 218 300 рублей.

Voxel8 - это устройство использует тот же принцип нанесения проводников, но сразу печатает вокруг них корпус. Получается некая интегральная схема. Цена такого устройства - 920 400 рублей. Потенциал данной технологии компания продемонстрировала на примере печати маленького квадрокоптера. Несомненно данный подход может открыть новые горизонты для создания сложных многомерных схем и целых устройств, но пока что эта методика имеет ряд ограничений. Например достаточно большой монтаж и толстые, объемные дорожки, нельзя применять паяльник.

К слову, не стоит сбрасывать со счетов токопроводящие пластики, а на двухсопельном принтере вполне можно печатать пластиковые схемы, вполне подходящие для обучения.

Заполнение полостей токопроводящим материалом

И последний метод, слегка топорный, но имеет место быть. Он не позволяет получать тонкие и компактные платы, либо многослойные. А также полностью исключает воздействие высоких температур, паять их нельзя.

Дешевый домашний принтер вполне успешно можно использовать для изготовления ПП, переделав его в гравер (лазерный или фрезерный), или непосредственно печатать платы пластиком или пастой. Стоит обратить внимание на то, что все перечисленные методы не позволяют в полной мере изготавливать многослойные ПП, что является камнем преткновения для многих радиолюбителей. Надеемся, что вскоре эта проблема будет с успехом решена.

Что ж, на этом применение 3D-принтеров не заканчивается.

Корпуса РЭА

Если с ПП все более менее понятно, и даже не имея навороченные устройства для автоматического создания плат, всегда можно вернутся к ЛУТ. То с корпусами для устройств часто возникают проблемы. Безусловно существуют стандартные корпуса РЭА, но далеко не всегда они подходят для самоделок, для них требуется четко соблюдать размер платы и элементов, что не всегда удобно. Также не стоит забывать об эстетической стороне вопроса. В данном случае нам идеально помогает обычный FDM 3D-принтер. Вопрос только в том, любой ли принтер подходит для данных задач.

В ходе подготовки статьи своим опытом любезно поделился @tiger. далее с его слов:

“Однажды у меня был опыт досконально познакомиться с данным вопросом. На фирме дали задачу разработать корпус РЭА в виде божьей коровки с дальнейшим изготовлением пресс-формы для ТПА. Как вы понимаете, задача та еще, данный корпус должен был быть похож на коровку, при этом необходимо было уместить стандартную квадратную плату внутрь корпуса. Процесс моделирования не занял долго времени, но на этапе создания опытного экземпляра возникла неожиданная проблема. В тот момент наш Stratasys Dimension сломался и пришлось заказывать печать на стороне. Напечатали нам данный корпус из ПЛА, с нерастворимыми поддержками, толстым слоем. Пришлось наносить шпаклевку и долго доводить модель вручную.

Потом, конечно, мы распечатали остальные модели на отремонтированном Stratasys и полностью закончили с проектированием корпуса. 3D-модель отправилась на завод, где уже изготовили пресс форму."

Из данного рассказа видно, что далеко не все модели корпусов печатаются без проблем, часто печать с растворимыми поддержками просто необходима. Для подобных изделий идеально подойдет Picaso Designer X PRO.

Вот, например, экземпляр корпуса, напечатанный на Picaso Designer Pro250 (предыдущей модели, с более скромными параметрами) двумя материалами ABS+HIPS.

Согласитесь, качественная печать подобных сложных инженерных деталей без растворимой поддержки практически невозможна.

Большая партия держателей визиток, которые также с успехом могут быть применены как “третья рука” для проводов. Как видим, одними корпусами для РЭА 3D-принтеры не ограничиваются.

Любителям вэйпинга 3D-принтер может пригодиться при конструировании самодельных бокс-модов.

Также не стоит забывать о таких элементах корпусов, как защелки, тонкие перегородки и т.п. Данные элементы даже совершенные FDM принтеры печатают не идеально, и они не могут выдержать тех нагрузок, которые выдерживают литые детали. В этом случае спасают ситуацию SLA-принтеры, например - Form 3. А используя выгораемые фотополимеры, предназначенные для печати литьевых моделей, можно отлить корпус вашего изделия из металла (даже драгоценного).

На данном снимке, справа, оригинальная деталь от наушников Logitech. Как мы видим, сломаны как раз тонкие защелки. Данная делать была отсканирована и распечатана на 3D принтере Formlabs Form2.

Не стоит забывать еще и о том, что изделия напечатанные на фотополимерном принтере Formlabs Form2 практически не требуют постобработки, вы сразу получаете изделие с поверхностью высокого качества. Данный принтер позволяет создавать мастер-модели для литья корпусов без дополнительной обработки, как пример  -распечатанный нами корпус, в максимальной детализации: 

С последующем литьем в силикон:

И еще несколько корпусов. Не зная заранее, мало кто отличит данные изделия от заводских.

Стоит также отметить, что существуют разные полимеры, отличающиеся по физическим, химическим и оптическим свойствам. Ими мы сразу можем печатать некоторые части устройств прозрачными.

Подходящее оборудование: 

3D принтер Picaso 3D Designer Х Pro  - 199 000 рублей. 

Область печати: 200 x 200 x 210 мм; Материалы: ABS, PLA, FLEX, NYLON, ASA, ABS/PC, PET, PC, PVA, HIPS.

Компании Picaso удалось воплотить в своем новейшей 3D принтере Picaso 3D Designer Pro 250 все современные инновации. Данный 3D принтер позволяет печатать модели любой сложности. В новом 3D принтере были переосмыслены все компоненты, такие как качество, скорость печати, простота использования и поддерживаемые материалы. Читайте обзор.

3D принтер Formlabs Form 2  - 320 000 рублей. 

Область печати: 145 x 145 x 175; Материалы: Фотополимер

Formlabs Form 2 - самый популярный стереолитографический 3D-принтер. Этот 3D-принтер компании Formlabs получил на 40% больший, по сравнению с предыдущей моделью, объем печатной области, сенсорный экран управления, Wi-Fi подключение. Form 2 раздвигает границы возможного в стереолитографии. Подробнее: статья о его применении.