Рынок 3D-печати корпусных деталей быстрыми шагами движется от прототипирования изделий к производству деталей. Оборудование и технологии для печатной электроники начали развиваться не так давно по сравнению с обычными 3D-принтерами, но уже имеют ряд серьезных достижений.
Несколько лет назад на рынке появился первый 3D-принтер производства фирмы NanoDimension, Израиль, который позволил напечатать многослойную печатную плату и произвел революцию в области прототипирования печатных плат (рис 1). Более того, оказалось, что его возможности гораздо шире, чем предполагал изготовитель, и пользователи смогли решать с его помощью множество иных задач. В статье рассматриваются новые возможности этого оборудования и представлен зарубежный опыт его эксплуатации.
Давайте кратко рассмотрим основные возможности оборудования. 3D-принтер модель «DragonFly» печатает двумя материалами: диэлектрической и токопроводящей пастой. Фактически он позволяет с нуля напечатать целиком плату, включая все слои, микропереходы с любого на любой слой, масочное покрытие, маркировку (рис 2). Никакие пред- и постоперации не требуются. Раньше, чтобы прототипировать платы, нужен был небольшой цех печатных плат с химическими, механическими, фотохимическими и другими операциями, который нуждался в подводе воды, вытяжки, сливов и сжатого воздуха. Вместо этого теперь можно поставить один 3D-принтер в офис конструктора (рис 3), запустить печать вечером и на утро уже получить готовый образец печатной платы с впечатляющими характеристиками (57 слоев, проводник/зазор: 110/110 мкм, диаметр микроперехода 200 мкм и т.д.).
Технология актуальна:
Технология позволяет выполнять стандартные задачи по прототипированию печатных плат, но обладает и рядом возможностей, которые превосходят традиционную технологию (Таблица 1).
Таблица 1. Применения DragonFly
*NanoDimension предоставляет базу стандартных конденсаторов различной емкости путем создания многослойной структуры до 57 слоев.
**Пример: ранее требовалось заказывать 3 детали (ПП, антенна, держатель батареи) и осуществлять их сборку. При эксплуатации были проблемы с надежностью соединения деталей, а 3D-принтер DragonFly позволяет за один заход напечатать и интегрировать в одной детали все три функции, повышая надежность изделия.
Опыт зарубежных пользователей
HARRIS COOPERATION (США)Напечатанные на принтере антенны по своим характеристикам близки к антеннам, изготовленным по традиционной технологии, о чем свидетельствуют графики зависимости потерь и шумов от частоты, изображенные на рис 4.
3D-принтер в отличие от традиционной технологии, где малейшие неточности в техпроцессе меняют параметры антенны, обладает более высокой повторяемостью при изготовлении. Именно поэтому напечатанные 3D-антенны (рис 5), спроектированные для работы на 5,2 ГГц, и RF усилитель, работающий до 6 ГГц (проект фирмы Harris), были выбраны для организации полета на МКС.
HENSOLDT (FORMER AIRBUS / EADS) (Германия)
Фирма Hensoldt занимается разработкой изделий ответственного назначения. Внедрение 3D-принтера DragonFly (рис 6) позволило значительно ускорить процесс получения прототипов по сравнению с заказом плат у стороннего изготовителя.
Директор HENSOLDT Томас Мюллер сказал: «Датчики для спецприменений требуют надежности и эффективности гораздо выше, чем для потребительского применения. Возможность быстрого прототипирования в несколько итераций дает нам преимущество в конкурентной борьбе при проектировании таких изделий».
На фотографиях рис 7 можно увидеть одну и ту же плату, изготовленную традиционным способом и на 3D-принтере.
3D-принтер DragonFly расширил круг возможностей фирмы Hensoldt, поэтому сейчас на нем компания печатает не только платы, но и нестандартные изделия, на которые есть потребность у рынка, например, волноводы (рис 8):
PHYTEC (Германия)
Компания PHYTEC занимается изготовлением изделий на основе микропроцессоров. В некоторых из своих плат она применяет нестандартное решение: выполняется установка одного или нескольких чипов на плату, изготовленную на принтере DragonFly, а затем плата с чипом паяется к основной плате при температуре 240 °С. Мы точно не знаем причин такого порядка действий, но возможны следующие варианты:
ITALIAN INSTIT UTE OF TEC HNOLOGY IIT (Италия)
Исследование ведущего биологического института, который занимается носимой электроникой, ставит своей задачей считывание показателей тела человека. Одна из непростых задач — это корпусирование датчика (рис 10). Старый конструктив не обеспечивал надежности электрического соединения — на датчике образовывались трещины, приводящие к выходу из строя изделия при эксплуатации. Печать корпуса на 3D-принтере позволила избежать процессов литья, уменьшить влияние человеческого фактора при изготовлении датчика, исключить провода, пайку и установку коннектора.
Профессор Массимо Де Витторио: «Система DragonFly подходит для быстрого и бюджетного прототипирования. Её возможности делают принтер идеальным выбором для нашей команды и позволяют достигнуть наилучших результатов — быстрой разработки и печати сложных форм, которые невозможны по традиционной технологии».
Отличительной особенностью деятельности компании является трехстадийный процесс работы: печать основания, установка датчика, печать верхней части крепления вместе с электрической коммутацией. По сути это печать платы со встроенным в нее компонентом (датчиком), что позволило значительно увеличить надежность изделия.
REHAU (Германия)
Фирма REHAU занимается производством потребительских изделий. Доктор Ансгар Ниехофф, глава департамента фирмы REHAU: «Мы хотим делать наши продукты более умными и за счет этого увеличивать ценность для наших клиентов, плавно интегрируя электронику в продукты. С помощью этой технологии прототипы могут быть сделаны в течение нескольких дней без помощи сторонних изготовителей, а компания экономит время и силы. 3D-печать особенно интересна в тех продуктах, где остается мало места под компоненты, монтируемые сверху на плату. Создание умных продуктов это уже не будущее, а настоящее. REHAU разрабатывает продукты для умного дома и для Интернета вещей, а NanoDimension предоставляет важнейшие технологии для ускорения вывода на рынок новых продуктов» (рис 11).
CADLOG (Италия)
Фирма CADLOG — один из ведущих разработчиков программного обеспечения и электроники. Недавно в Италии она открыла центр прототипирования, где есть установка DragonFly. Видео о центре: https://youtu.be/HtZnLUJUyWs.
Несмотря на недавнее открытие центра DragonFly уже играет значительную роль в работе CADLOG.
Перспективы этой технологии огромны, и те компании, которые начнут использовать 3D-принтер DragonFly уже сейчас, будут на шаг впереди остальных. В России уже появились предприятия, которые стали пионерами этой технологии.
Новые возможности, открывающиеся для проектирования, прототипирования и изготовления, позволят нашим конструкторам более полно раскрыть свои таланты и возможности и создать уникальные потребительские продукты для общества.